Thermodynamics of daemonic quantum batteries charged by thermalization

Abstract

En esta tesis estudiamos las máquinas cuánticas conocidas como baterías cuánticas. Ideamos dos nuevos protocolos de baterías cuánticas cargadas en base a termalización construidos a partir de protocolos desarrollados anteriormente, donde introducimos medidas ejecutadas por una memoria cuántica para mejorar la producción de energía y potencialmente la eficiencia de un ciclo de trabajo. Empleando la termodinámica fuera del equilibrio y conceptos de la teoría de la información, describimos la termodinámica de los protocolos desarrollados, identificando el papel que desempeña la información en el ciclo termodinámico. Los protocolos elaborados no dependen de la sustancia utilizada para la batería, el cargador y el sistema de memoria, por lo que pueden aplicarse a cualquier modelo compatible. Estudiamos uno de los protocolos ideados con un modelo de trabajo, que consiste en una cadena de espín Ising transversal para el sistema batería-cargador y un solo espín para la memoria. El modelo se simula numéricamente para analizar su energética y compararla con la resultante de un protocolo no medido. Determinamos numéricamente el protocolo más óptimo (medido o no medido) dados los parámetros de la sustancia, el método de medición y la temperatura. Demostramos que el protocolo medido puede superar al protocolo no medido en términos de eficiencia, dadas ciertas condiciones sobre las variables indicadas anteriormente.

In this thesis, we study the quantum machines known as quantum batteries. We devise two new thermalization based charging quantum battery protocols that build from previous developed protocols, where we introduce measurements executed by a quantum memory to enhance the energy output and potentially the efficiency of a working cycle. By employing non-equilibrium thermodynamics and concepts from information theory we describe the thermodynamics of the protocols developed, identifying the role that information plays in the thermodynamic cycle. The protocols devised are not dependant on the substance used for the battery, charger and memory system, as such they can be applied to any compatible model. We study one of the protocols devised with a working model, which substance consists of a transverse Ising spin chain for the battery-charger system and a single spin for the memory. The model is numerically simulated in order to analyze its energetics and compare them to the ones resulting from a non-measured protocol. We numerically determine the most optimal protocol (measured or non-measured) given the parameters of the substance, the method of measurement and temperature. We show that the measured protocol can surpass the non-measured protocol in terms of efficiency, given certain conditions on the variables stated before.