Laser-powered sequential thermal charging of a qutrit battery

Abstract

Esta tesis explora la carga secuencial de una batería cuántica de tres niveles mediante interacciones con cavidades térmicas idénticas bajo la influencia de un campo láser. El objetivo principal es comprender el proceso de intercambio de energía en el régimen dispersivo e identificar las condiciones que permiten alcanzar estados cargados estables. Se presenta un análisis detallado del protocolo de carga en un sistema cuántico que interactúa secuencialmente con subsistemas térmicos de Gibbs idénticos, donde cada interacción está gobernada por un Hamiltoniano total que incorpora el sistema, un subsistema térmico de Gibbs y un término de interacción dependiente del tiempo. Este marco permite investigar la eficiencia del proceso de carga, con especial énfasis en el trabajo total realizado y la ergotropía

En el régimen dispersivo, el estado de mayor energía de la batería de tres niveles permanece débilmente poblado, lo que permite aplicar el procedimiento de eliminación adiabática, reduciendo la dinámica de carga a una interacción efectiva entre una batería de dos niveles, la cavidad y el láser. Esto proporciona una descripción simplificada del proceso de intercambio de energía. Para comprender mejor el modelo propuesto, se analiza la tasa de carga en el régimen de acoplamiento fuerte con el campo láser, manteniendo el régimen dispersivo de interacción. Se demuestra que, mediante este método, la batería alcanza un estado cargado en menor tiempo. Además, la descomposición exacta en autovalores de la evolución unitaria revela que la coherencia inducida por el láser desempeña un papel clave en la obtención del estado cargado. La comparación entre el proceso de carga exacto y efectivo muestra que la batería alcanza un estado cargado con coherencia residual mínima tras un número finito de interacciones térmicas. Finalmente, el protocolo de carga propuesto es robusto frente a efectos de autodescarga, y la coherencia inducida sugiere que los recursos cuánticos pueden utilizarse en futuras implementaciones para mejorar el protocolo de extracción de energía.

This thesis explores the sequential charging of a qutrit battery via identical thermal cavities under the influence of a laser field. The primary objective is to understand the energy exchange process in the dispersive (large-detuning) regime and identify the conditions that enable the qutrit battery to reach stable charged states. A detailed analysis of the charging protocol is presented for a quantum system interacting sequentially with identical Gibbs thermal subsystems, where each single interaction is governed by a total Hamiltonian that incorporates the system, a thermal subsystem, and a time-dependent interaction term. This framework enables an investigation of the efficiency of the charging process, with particular emphasis on the total work performed and ergotropy. In the dispersive regime, the highest-energy qutrit state remains weakly populated, enabling the application of the adiabatic elimination to describe the charging dynamics through an effective qubit-field interaction. This provides an accurate and tractable description of the energy exchange process. To gain deeper insight, the charging rate is analyzed in the strong-coupling regime of the laser field while maintaining the interaction in the dispersive regime. With this approach, the qutrit reaches a charged state in a shorter time. Additionally, the exact eigendecomposition of the unitary evolution reveals that laser-induced coherence plays a key role in driving the battery to a charged state. A comparison between the exact charging process and the effective process shows that the qutrit attains a charged state with minimal residual coherence after a finite number of thermal interactions. Finally, the proposed charging protocol is robust against self-discharging effects, and the induced coherence suggests that quantum resources can be used in a future implementation to improve the energy-extraction protocol.