Project

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Quantum Thermodynamics

Applicant Haack Géraldine
Number 164466
Funding scheme Marie Heim-Voegtlin grants
Research institution GAP-Optique Université de Genève
Institution of higher education University of Geneva - GE
Main discipline Theoretical Physics
Start/End 01.09.2016 - 31.08.2018
Approved amount 235'172.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Theoretical Physics
Condensed Matter Physics

Keywords (5)

Quantum thermodynamics; Electronic Quantum transport; Quantum information; Mesoscopic phyiscs; Thermal machines

Lay Summary (French)

Lead
Etudier la thermodynamique à l'échelle quantique nous permet d'approfondir notre compréhension de phénomènes physiques qui relèvent à la fois des théories de la thermodynamique, de la mécanique quantique et de l'information. Ces connaissances ont des applications directes grâce aux progrès réalisés dans la manipulation et le contrôle de systèmes nanoélectroniques. On travaillera par exemple à élaborer des moteurs constitués de quelques systèmes quantiques en interaction, ceci en collaboration avec des groupes expérimentaux qui réalisent des expériences à l'échelle de l'électron unique ou du photon unique.
Lay summary

L'objectif de ce projet est double. Il s'agit d'une part de contribuer à une meilleure compréhension des propriétés quantiques que sont la cohérence quantique et l'intrication du point de vue de la thermodynamique, et d'autre part d'étudier le fonctionnement de machines thermiques dans le régime quantique. Alors que la cohérence quantique et l'intrication sont à la base de l'information quantique avec des applications concrètes comme le codage de données sensibles, ces propriétés quantiques ont encore été peu étudiées dans un contexte thermodynamique. Ainsi, la première partie du projet aura pour but de mieux comprendre la contrepartie énergétique de ces propriétés quantiques. Les questions abordées seront par exemple les suivantes: Quelle est l'énergie nécessaire pour générer de l'intrication? Peut-on utiliser ces propriétés quantiques comme ressources énergétiques afin d'effectuer un travail? Du point de vue formel, il s'agira d'adapter des outils mathématiques développés dans le cadre de l'information quantique et du transport quantique à des systèmes thermodynamiques.  Dans la deuxième partie du projet, on s'attachera à développer des modèles de machines thermiques, telles que des réfrigérateurs, constituées de systèmes physiques pouvant être manipulés dans le régime quantique. On considérera par exemple des points quantiques et des bits quantiques supraconducteurs qui sont des systèmes remarquables dont les propriétés quantiques sont actuellement exploitées dans le contexte de l'information quantique. Travailler avec ces systèmes permettra de faciliter la mise en place de collaborations avec les équipes d'expérimentateurs.

Direct link to Lay Summary Last update: 16.08.2016

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Publications

Publication
Unifying paradigms of quantum refrigeration: Fundamental limits of cooling and associated work costs
Clivaz Fabien, Silva Ralph, Haack Géraldine, Brask Jonatan Bohr, Brunner Nicolas, Huber Marcus (2019), Unifying paradigms of quantum refrigeration: Fundamental limits of cooling and associated work costs, in Physical Review E, 100(4), 042130-042130.
Single-shot energetic-based estimator for entanglement in a half-parity measurement setup
Elouard Cyril, Auffèves Alexia, Haack Géraldine (2019), Single-shot energetic-based estimator for entanglement in a half-parity measurement setup, in Quantum, 3, 166-166.
Heralded generation of maximal entanglement in any dimension via incoherent coupling to thermal baths
Tavakoli Armin, Haack Géraldine, Huber Marcus, Brunner Nicolas, Brask Jonatan Bohr (2018), Heralded generation of maximal entanglement in any dimension via incoherent coupling to thermal baths, in Quantum, 2, 73-73.
Markovian master equations for quantum thermal machines: local versus global approach
Hofer Patrick P, Perarnau-Llobet Martí, Miranda L David M, Haack Géraldine, Silva Ralph, Brask Jonatan Bohr, Brunner Nicolas (2017), Markovian master equations for quantum thermal machines: local versus global approach, in New Journal of Physics, 19(12), 123037-123037.
Control of the oscillatory interlayer exchange interaction with terahertz radiation
Meyer Uta, Haack Géraldine, Groth Christoph, Waintal Xavier (2017), Control of the oscillatory interlayer exchange interaction with terahertz radiation, in Physical Review Letters, 118, 097701.

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
CNRS Grenoble France (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
CNRS Grenoble France (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results

Scientific events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
Research program at KAVLI Institute (UCSB, USA) Talk given at a conference Energetic-based witnesses to certify the presence of entanglement for QIP 09.07.2018 UCSB, United States of America Haack Géraldine;
Workshop on Quantum control and feedback: Foundations and applications, Institut Henri Poincaré Talk given at a conference Autonomous quantum thermal machines:
How purely dissipa6ve processes can be exploited to generate entanglement 05.06.2018 Paris, France Haack Géraldine;
Group seminar Individual talk Entanglement generation from purely thermal resources 12.12.2017 Lyon, France Haack Géraldine;
GDR IQFA Poster Entanglement generation from purely thermal resources 29.11.2017 Nice, France Haack Géraldine;
Group seminar Individual talk Entanglement generation from purely thermal resources 22.11.2017 Marseille, France Haack Géraldine;
Group seminar Individual talk Entanglement generation from purely thermal resources 20.11.2017 Paris, France Haack Géraldine;
Advances in Quantum Transport in Low Dimensional Systems Talk given at a conference Heralded entanglement via incoherent thermal couplings 04.09.2017 Londres, Great Britain and Northern Ireland Haack Géraldine;
Informal meeting with collaborators in Grenoble Individual talk Master equation from the Kraus Operators Sum representation 04.07.2017 Grenoble, France Haack Géraldine;
5th COST Conference on Quantum Thermodynamics Talk given at a conference A thermodynamic approach to entanglement genesis 13.03.2017 Oxforf, Great Britain and Northern Ireland Haack Géraldine;
7th NCCR QSIT General Meeting Talk given at a conference A thermodynamic approach to entanglement genesis 01.02.2017 Arosa, Switzerland Haack Géraldine;


Knowledge transfer events

Active participation

Title Type of contribution Date Place Persons involved
Café des Sciences Performances, exhibitions (e.g. for education institutions) 18.01.2018 Collège Claparède (high-school), Switzerland Haack Géraldine;


Awards

Title Year
PRIMA grant from the SNF 2018

Abstract

Quantum thermodynamics is a recent field of research, which aims at understanding the thermodynamic properties of quantum systems, and hence the interplay between three fundamental theories of physics: thermodynamics, quantum physics and quantum information. The goal of this project is two-fold: it aims at characterizing quantum coherence and entanglement from a thermodynamical point of view, i.e. the energetic counterpart of these two fundamental quantum mechanical properties, and to investigate the functioning of thermal machines in the quantum regime. Fundamental questions in this area as the role of quantum coherence and entanglement on the efficiency of quantum refrigerators or heaters will be answered. These ideas will be tested by considering experimental setups, which have shown outstanding results in the context of quantum information, superconducting qubits and semiconductor quantum dots. This constitutes a strong advantage to conduct a theoretical work in collaboration with leading experimentalist groups.
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