As medições de energia permanecem termometricamente ideais além do acoplamento fraco

As medições de energia permanecem termometricamente ideais além do acoplamento fraco

Carimbo de data / hora: 28 de novembro de 2023 7h52

Jonas Glatthard1, Karen V. Hovhannisyan2, Martí Perarnau-Llobet3, Luís A. Correa4,1e Harry JD Miller5

1Departamento de Física e Astronomia, Universidade de Exeter, Exeter EX4 4QL, Reino Unido
2Universidade de Potsdam, Instituto de Física e Astronomia, Karl-Liebknecht-Str. 24–25, 14476 Potsdam, Alemanha
3Département de Physique Appliquée, Université de Genève, 1211 Genève, Suíça
4Departamento de Física, Universidad de La Laguna, La Laguna 38203, Espanha
5Departamento de Física e Astronomia, Universidade de Manchester, Manchester M13 9PL, Reino Unido

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Sumário

Desenvolvemos uma teoria perturbativa geral de termometria quântica de acoplamento finito até segunda ordem na interação sonda-amostra. Por suposição, a sonda e a amostra estão em equilíbrio térmico, então a sonda é descrita pelo estado de Gibbs de força média. Provamos que a precisão termométrica máxima pode ser alcançada – de segunda ordem no acoplamento – somente por meio de medições de energia local na sonda. Assim, procurar extrair informações de temperatura a partir de coerências ou conceber esquemas adaptativos não confere nenhuma vantagem prática neste regime. Além disso, fornecemos uma expressão de forma fechada para a informação quântica de Fisher, que captura a sensibilidade da sonda às variações de temperatura. Finalmente, comparamos e ilustramos a facilidade de uso de nossas fórmulas com dois exemplos simples. Nosso formalismo não faz suposições sobre a separação de escalas de tempo dinâmicas ou sobre a natureza da sonda ou da amostra. Portanto, ao fornecer informações analíticas sobre a sensibilidade térmica e a medição ideal para alcançá-la, nossos resultados abrem caminho para a termometria quântica em configurações onde os efeitos do acoplamento finito não podem ser ignorados.

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Resumo popular

A noção comum de termometria é colocar uma sonda (o “termômetro”) em contato com a amostra, esperar que ela atinja um equilíbrio térmico conjunto e então medir a sonda. Quando a interação sonda-amostra é fraca, a própria sonda é térmica e a termometria ideal é alcançada simplesmente medindo a sonda em sua própria base de energia local. Esta imagem, embora conveniente, torna-se fundamentalmente falha em baixas temperaturas: nenhuma interação diferente de zero pode ser considerada fraca perto do zero absoluto. E levar as interações a zero não é solução, pois isso dificulta a termalização da sonda.
Quando o acoplamento sonda-amostra é forte, a sonda não está em estado térmico quando está em equilíbrio com a amostra. Em vez disso, é descrito pelo chamado estado de Gibbs de força média, que em geral tem uma dependência complicada dos parâmetros de acoplamento e até da própria temperatura. Como resultado, a medição termométrica ideal perde a sua simplicidade, e continua a ser um desafio aberto encontrar prescrições gerais para medições termométricas ótimas além do regime de acoplamento fraco.
No entanto, aqui provamos, sob suposições mínimas, que - surpreendentemente - as medições de energia da sonda permanecem quase ótimas, mesmo em acoplamento moderado, além do regime de acoplamento fraco. Isto significa que esquemas de medição sofisticados que exploram coerências ou utilizam estratégias adaptativas não conferem qualquer vantagem prática, desde que o acoplamento não seja demasiado forte.
Nossa mensagem para levar para casa? A capacidade experimental de medir uma sonda na sua base local será muitas vezes suficiente para uma termometria precisa.

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Citado por

[1] Marlon Brenes e Dvira Segal, “Sondas multispin para termometria no regime de acoplamento forte”, Revisão Física A 108 3, 032220 (2023).

[2] Paolo Abiuso, Paolo Andrea Erdman, Michael Ronen, Frank Noé, Géraldine Haack e Martí Perarnau-Llobet, “Termômetros ideais com redes spin”, arXiv: 2211.01934, (2022).

[3] Nicholas Anto-Sztrikacs, Harry JD Miller, Ahsan Nazir e Dvira Segal, “Ignorando escalas de tempo de termalização na estimativa de temperatura usando sondas pré-térmicas”, arXiv: 2311.05496, (2023).

As citações acima são de SAO / NASA ADS (última atualização com êxito 2023-11-29 01:01:34). A lista pode estar incompleta, pois nem todos os editores fornecem dados de citação adequados e completos.

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