Applications of quantum metrology and thermodynamics in emerging quantum technologies
Kuantum teknolojilerinde kuantum metroloji ve termodinamiğin uygulamaları
- Tez No: 880239
- Danışmanlar: PROF. DR. ÖZGÜR ESAT MÜSTECAPLIOĞLU
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Fizik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 204
Özet
Kuantum teknolojileri ünvanında ortaya çıkan yeni alan, bilim, mühendislik ve bilgi işlem alanlarının çeşitli yönlerininde devrim niteliğinde gelişmelere yol açacaktır. Kuantum bilimlerinin en umut verici dallarından biri olan kuantum metroloji, modern kuantum teknolojilerinde anahtar rol oynayarak işlevselliklerini ve performanslarını temellendiren ultra hassas ölçümleri sağlayarak bu alana katkıda bulunuyor. Kuantum metroloji çerçevesinde klasik ölçümlerden çok daha yüksek bir hassasiyet ve çözünürlük seviyesinde ölçümleri mümkün kılan dolaşıklık gibi kuantum kaynaklardır. Ayrıca, kuantum cihazlarının optimal tasarımı, enerji transferi, iş çıkarma ve kuantum sistemlerdeki entropi üretiminin temel prensiplerinin incelenmesini gerektirir. Bu nedenle, kuantum termodinamiği, enerji dönüşüm süreçlerinin verimlilik sınırlarına dair derinlemesine anlayışlar sunar ve nihayetinde kuantum teknolojilerinin tasarımını şekillendirir. Bu tez, 2. bölümden 6. bölüme sunulan beş makaleden oluşmaktadır. Bu makalelerin üçü optik kuantum metroloji ve ikisi kuantum cihazların termodinamği konularındaki araştırmalarımın sonuçlarıdır. 2. bölümde, retinanın fonksiyonal modelini temsil eden yapay bir sinir ağının fiziksel parametrelerinin ölçümü için Fock durumu ışığın hassasiyet sınırlarını hesapladık. Fock durumu optik prob, koherent ve termal problariyle kıyasta daha yüksek hassasiyet sağladığını gösterdik. 3. bölümde, polarizasyon dolaşıklı Bell durumunun bir polarimetrik görev için hassasiyet sınırlarını araştırıyoruz. Teorik hesaplamalar deneysel verilerle desteklenir. Dolaşıklığın hassasiyet açısından kuantum avantajı sağladığını gösteriyoruz, ancak çevresel gürültü, parametrelerin tahmin edilen değerlerinde yanlılık oluşturarak bu avantajı sınırlar. 4. bölümde, genel bir polarimetrik kurulumdaki bir birefringent ortam nedeniyle dönme açısının tahmini üzerindeki hassasiyet sınırlarını hesaplarız. Çalışmamızda, depolarizasyon ve polarimetrik kanalların sıralanmasının çeşitli türlerini dikkate alırız ve optik kayıpların etkisini de içeririz. Sonuçlarımız, NOON durumu probunun, depolarizasyon ve diattenuasyonun güçlü olmadığı durumlarda, koherent ve antikoherent durumlarla karşılaştırıldığında üstün metrolojik performans sağladığını göstermektedir. Nispeten yüksek depolarizasyon oranları için bile, küçük ortalama foton sayılarına sahip NOON durumu, koherent ve antikoherent durumlarla karşılaştırıldığında daha iyi bir hassasiyet sınırı sağlar. 5. bölümde, yapay biyomimetik bir sistemdeki kararlı hal ısı transferi üzerinde yapılandırılmış bir ortamdaki bağlanma kuvvetlerinin ve koherensin etkisini inceliyoruz, açık kuantum dinamiklerini simüle etmek için çarpışma modelini kullanıyoruz. Ortamla etkileşim, sistemin enerji seviyelerini modüle eder ve belirli özdurumlar arasındaki geçiş enerjisini azaltır, bu geçişleri sıcak termal banyoya daha erişilebilir hale getirir. 6. bölümde, adyabatik ve sıcak izokorik branşları hızlandırmak için karşıdiyabatik kontrol uygularız. Tek bir döngü için sonuçlarımız, kontrol maliyetlerini dikkate aldığımızda, adyabatik ve izokorik kontrollü branşları olan Otto motorunun, sadece adyabatik vuruşlarında uygulanan karşıdiyabatik kontrol'ile kıyasta biraz azaltılmış verimlilikle daha yüksek bir güç çıkışına ulaştığını göstermektedir. Ancak, sınırlı döngüde, adyabatik ve izokorik dalgalanmaları olan motorun, daha yüksek verimlilik ve güç çıkışı ile çalışması için vuruş sürelerini tahsis etmek mümkündür. Son olarak, tüm bölümler için ayrıntılı bir analiz ve sonuçların tartışılması bölümünde sunulmuştur.
Özet (Çeviri)
The emerging field of quantum technologies is poised to revolutionize various aspects of science, engineering, and computing. One of the most promising branches of quantum information sciences is quantum metrology, which plays a pivotal role in modern quantum technologies by enabling ultra-precise measurements that underpin their functionality and performance. At the heart of quantum metrology lies the exploitation of quantum resources such as entanglement which allow for unprecedented levels of sensitivity and resolution. Additionally, optimal design of quantum devices makes it necessary to study the fundamental principles governing energy transfer, work extraction, and entropy production in quantum systems. Hence, quantum thermodynamics offers profound insights into the efficiency limits of energy conversion processes, ultimately shaping the design of quantum technologies. In this thesis, I review my five manuscripts, three of which are on optical quantum metrology and two of which are on thermodynamics of engineered quantum devices, which are presented in chapter 2 to chapter 6. In chapter 2, we calculate the precision bounds of Fock state optical probes for extracting information from an artificial neural network, which mimics the behavior of the retinal network. We shown that Fock state probes yield higher sensitivity than their coherent and thermal counterparts. In chapter 3 we investigate the precision bounds of polarization entangled Bell state for a polarimetric task. Theoretical calculations are accompanied by experimental data. We show that although entanglement provides quantum advantage in terms of precision, environmental noise introduces bias in the estimated values of the parameters which limits the mentioned advantage. In chapter 4 we calculate the precision bounds on estimation of rotation angle due to a birefringent medium in a general polarimetric setup. In our study we take into account several models of depolarization and ordering of polarimetric channels and include the effect of optical losses. Our results show that NOON state probes provide superior metrological performance compared with coherent and anticoherent states as depolarization as diattenuation of the probe is not strong. Even for relatively high depolarization rates, NOON state with small mean photon numbers yield a better precision bound compared with the coherent and anticoherent states. In chapter 5 we investigate the effect of coupling strengths and coherence within a structured environment on the steady-state heat transfer in an engineered biomimetic system, using collision model for simulating the open quantum dynamics. We show that interaction with the environment modulates the energy levels of the system and decreases the transition energy between certain eigenstates, making these transitions more accessible to the hot thermal bath. In chapter 6 we implement counterdiabatic drive to accelerate adiabatic and hot isochoric branches of a quantum Otto engine. Our results for a single cycle show that, taking the control costs into consideration, the heat engine with both adiabatic and isochoric controlled branches reaches a higher power output, albeit with slightly reduced efficiency compared with the engine with counterdiabatic drive only implemented on its adiabatic strokes. However, in limit cycle, it is possible to allocate stroke durations such that the engine with both controlled adiabatic and isochoric branches operates with higher efficiency and power output. Finally, a detailed analysis and discussion of the results for all chapters is given in the conclusions section.
Benzer Tezler
- Kuantum hesaplamada sürekli değişkenler ve uygulamaları
Continuous variables and applications in quantum computing
CUMALİ YAŞAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Bilgi ve Belge YönetimiÇanakkale Onsekiz Mart ÜniversitesiMatematik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. CAN AKTAŞ
- Semiconductor based nano-photonic structures for integrated quantum photonics
Başlık çevirisi yok
ERMAN ERGİN
Doktora
İngilizce
2012
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiUniversity of BristolPROF. DR. MARTIN J. CRYAN
- Dielectric film characterization beyond classical limits exploiting spatially structured entangled photon pairs
Uzaysal yapılandırılmış dolanık foton çiftlerinden faydalanarak klasik kırınım sınırları ötesinde dielektrik film karakterizasyonu
ENES ATAÇ
Doktora
İngilizce
2024
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET SALİH DİNLEYİCİ
- Lasing action and supercontinuum generation in nano- and micro-structures
Nano ve mikro yapılarda lazer etkisi ve geniş bantlı ışık üretilmesi
DUYGU AKBULUT
Yüksek Lisans
İngilizce
2009
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. MEHMET BAYINDIR
- Three-photon electromagnetically induced transparency in Rydberg atoms
Rydberg atomlarında üç-foton uyarımlı elektromanyetik olarak indüklenmiş şeffaflık
YAĞIZ OYUN
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüFotonik Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SEVİLAY SEVİNÇLİ
DOÇ. DR. ÖZGÜR ÇAKIR