De la disipación no markoviana al control espaciotemporal de nanodispositivos cuánticos

De la disipación no markoviana al control espaciotemporal de nanodispositivos cuánticos

Sello de tiempo: 3 de abril de 2024 11:35 a. M.

Thibaut Lacroix1,2,3, Brendon W. Lovett2y Alex W. Chin3

1Institut für Theoretische Physik und IQST, Albert-Einstein-Allee 11, Universität Ulm, D-89081 Ulm, Alemania
2SUPA, Escuela de Física y Astronomía, Universidad de St Andrews, St Andrews KY16 9SS, Reino Unido
3Sorbonne Université, CNRS, Institut des NanoSciences de Paris, 4 place Jussieu, 75005 París, Francia

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Resumen

Los nanodispositivos que explotan los efectos cuánticos son elementos de importancia crítica para las futuras tecnologías cuánticas (QT), pero su rendimiento en el mundo real está fuertemente limitado por la decoherencia que surge de las interacciones "ambientales" locales. Para agravar esto, a medida que los dispositivos se vuelven más complejos, es decir, contienen múltiples unidades funcionales, los entornos "locales" comienzan a superponerse, creando la posibilidad de fenómenos de decoherencia mediados por el entorno en nuevas escalas de tiempo y longitud. Una dinámica tan compleja e inherentemente no markoviana podría presentar un desafío para ampliar la QT, pero, por otro lado, la capacidad de los entornos para transferir "señales" y energía también podría permitir una coordinación espaciotemporal sofisticada de procesos entre componentes, como se sugiere. que suceda en nanomáquinas biológicas, como enzimas y proteínas fotosintéticas. Explotando muchos métodos corporales numéricamente exactos (redes tensoriales), estudiamos un modelo completamente cuántico que nos permite explorar cómo la propagación de la dinámica ambiental puede instigar y dirigir la evolución de sistemas cuánticos espacialmente remotos que no interactúan. Demostramos cómo la energía disipada en el medio ambiente se puede recolectar de forma remota para crear estados excitados/reactivos transitorios, y también identificamos cómo la reorganización desencadenada por la excitación del sistema puede alterar cualitativa y reversiblemente la cinética "descendente" de un sistema cuántico "funcional". Con acceso a funciones de onda completas del sistema y el entorno, dilucidamos los procesos microscópicos subyacentes a estos fenómenos, proporcionando nuevos conocimientos sobre cómo podrían explotarse para dispositivos cuánticos energéticamente eficientes.

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Imagen destacada: (a) Los sistemas distribuidos espacialmente disipan energía en su entorno y/o causan deformaciones locales que normalmente se propagan y se pierden en el medio masivo (flechas rojas). Cuando los sistemas se empaquetan en regiones a nanoescala, una fracción significativa de las excitaciones ambientales encontrarán sistemas vecinos e influirán en su dinámica (flechas verdes), incluso si los sistemas están desacoplados (la flecha amarilla indica un acoplamiento coherente). Estas interacciones son retardadas, es decir, dependen de la velocidad de propagación de la señal y de la separación de los sistemas, proporcionando nuevas escalas de tiempo y longitud a su dinámica disipativa ahora cooperativa.

Ejemplos en 1D:
(b) en los centros de reacción fotosintética, los pigmentos están sostenidos por una estructura proteica que puede mediar de manera disipativa las vibraciones y la reorganización estructural para coordinar la división del excitón (un par de huecos-electrón), la transferencia de electrones y el llenado de huecos en diferentes ubicaciones (separadas por 4 - 5 nm). en escalas de tiempo desde fs hasta μs.
(c) Los pares de tripletes entrelazados por espín generados por fisión singlete intramolecular interactúan fuertemente a través de los paquetes de ondas vibratorias de la estructura principal molecular, como en el polidiacetileno.
(d) Un par de puntos cuánticos (QD) desacoplados están encapsulados en un nanocables. La excitación de uno de ellos excita así los modos mecánicos del hilo. Estas distorsiones se propagan y podrían interactuar con los otros QD.

Resumen popular

La principal limitación de las futuras tecnologías cuánticas es la decoherencia resultante de la interacción de las diferentes unidades de trabajo de los dispositivos cuánticos con entornos externos incontrolables (por ejemplo, el campo electromagnético, las vibraciones de la red...). Por lo general, se describe que diferentes unidades interactúan con diferentes entornos que no interactúan entre sí, y estos entornos son responsables de la disipación y la decoherencia locales.
Sin embargo, cuanto más complejos se vuelvan los dispositivos cuánticos, más cerca estarán sus diferentes componentes. En ese contexto, el supuesto de entornos locales distintos se rompe y necesitamos considerar la interacción de unidades funcionales con un entorno común. En ese caso, la energía disipada por una parte del sistema podría, por ejemplo, ser absorbida más tarde por otra parte. Esto hace que la descripción de tales entornos globales sea fundamentalmente más compleja que la de los locales porque su dinámica interna no puede descuidarse si se quiere comprender la dinámica del sistema.
Utilizando métodos de redes tensoriales para representar y evolucionar en el tiempo el estado cuántico del sistema y el entorno juntos, podemos descubrir procesos que están sucediendo en nuevas escalas de tiempo y longitud debido a la propagación de energía/información dentro del entorno.
La nueva fenomenología de los procesos físicos, resultante de considerar sistemas cuánticos que interactúan con un entorno común, tiene importantes consecuencias para el diseño de nanodispositivos, ya que da acceso a nuevos mecanismos de control, detección y comunicación cruzada.

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