Le misurazioni dell’energia rimangono termometricamente ottimali al di là dell’accoppiamento debole

Le misurazioni dell’energia rimangono termometricamente ottimali al di là dell’accoppiamento debole

Timestamp: 28 novembre 2023 7:52 AM

Jonas Glatthard1, Karen V. Hovhannisyan2, Martí Perarnau-Llobet3, Luis A. Correa4,1e Harry J. D. Miller5

1Dipartimento di Fisica e Astronomia, Università di Exeter, Exeter EX4 4QL, Regno Unito
2Università di Potsdam, Istituto di fisica e astronomia, Karl-Liebknecht-Str. 24–25, 14476 Potsdam, Germania
3Département de Physique Appliquée, Université de Genève, 1211 Genève, Svizzera
4Departamento de Física, Universidad de La Laguna, La Laguna 38203, Spagna
5Dipartimento di Fisica e Astronomia, Università di Manchester, Manchester M13 9PL, Regno Unito

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Astratto

Sviluppiamo una teoria perturbativa generale della termometria quantistica ad accoppiamento finito fino al secondo ordine nell'interazione sonda-campione. Per presupposto, la sonda e il campione sono in equilibrio termico, quindi la sonda è descritta dallo stato di Gibbs della forza media. Dimostriamo che la massima precisione termometrica può essere raggiunta – al secondo ordine nell'accoppiamento – esclusivamente mediante misurazioni di energia locale sulla sonda. Pertanto, cercare di estrarre informazioni sulla temperatura dalle coerenze o ideare schemi adattivi non conferisce alcun vantaggio pratico in questo regime. Inoltre, forniamo un’espressione in forma chiusa per le informazioni quantistiche di Fisher, che cattura la sensibilità della sonda alle variazioni di temperatura. Infine, confrontiamo e illustriamo la facilità d'uso delle nostre formule con due semplici esempi. Il nostro formalismo non fa ipotesi sulla separazione delle scale temporali dinamiche o sulla natura della sonda o del campione. Pertanto, fornendo informazioni analitiche sia sulla sensibilità termica che sulla misurazione ottimale per raggiungerla, i nostri risultati aprono la strada alla termometria quantistica in configurazioni in cui gli effetti di accoppiamento finito non possono essere ignorati.

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Riepilogo popolare

La nozione comune di termometria consiste nel mettere una sonda (il “termometro”) in contatto con il campione, attendere che raggiungano un equilibrio termico congiunto, e quindi misurare la sonda. Quando l'interazione sonda-campione è debole, la sonda stessa è termica e la termometria ottimale si ottiene semplicemente misurando la sonda nella sua autobasi energetica locale. Questo quadro, sebbene conveniente, diventa fondamentalmente difettoso alle basse temperature: nessuna interazione diversa da zero può essere considerata debole vicino allo zero assoluto. E spingere le interazioni a zero non è una soluzione, poiché ciò ostacola la termalizzazione della sonda.
Quando l'accoppiamento sonda-campione è forte, la sonda non è in uno stato termico quando è in equilibrio con il campione. È invece descritto dal cosiddetto stato di Gibbs della forza media, che in generale ha una complicata dipendenza dai parametri di accoppiamento e persino dalla temperatura stessa. Di conseguenza, la misurazione termometrica ottimale perde la sua semplicità e rimane una sfida aperta trovare prescrizioni generali per misurazioni termometriche ottimali oltre il regime di accoppiamento debole.
Tuttavia, qui dimostriamo, sotto ipotesi minime, che, sorprendentemente, le misurazioni dell’energia della sonda rimangono quasi ottimali anche con un accoppiamento moderato, oltre il regime di accoppiamento debole. Ciò significa che sofisticati schemi di misurazione che sfruttano le coerenze o utilizzano strategie adattive non conferiscono alcun vantaggio pratico finché l’accoppiamento non è troppo forte.
Il nostro messaggio da portare a casa? La capacità sperimentale di misurare una sonda nella sua base locale sarà spesso sufficiente per una termometria precisa.

► dati BibTeX

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Citato da

[1] Marlon Brenes e Dvira Segal, "Sonde multispin per la termometria nel regime di accoppiamento forte", Revisione fisica A 108 3, 032220 (2023).

[2] Paolo Abiuso, Paolo Andrea Erdman, Michael Ronen, Frank Noé, Géraldine Haack e Martí Perarnau-Llobet, “Termometri ottimali con reti di spin”, arXiv: 2211.01934, (2022).

[3] Nicholas Anto-Sztrikacs, Harry J. D. Miller, Ahsan Nazir e Dvira Segal, "Ignorare i tempi di termalizzazione nella stima della temperatura utilizzando sonde pretermiche", arXiv: 2311.05496, (2023).

Le citazioni sopra sono di ANNUNCI SAO / NASA (ultimo aggiornamento riuscito 2023-11-29 01:01:34). L'elenco potrebbe essere incompleto poiché non tutti gli editori forniscono dati di citazione adeguati e completi.

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