Quantum thermodynamics with photonic systems

Abstract

À medida que os sistemas se tornam menores, chegando a escalas quase atômicas, os efeitos quânticos tornam-se cada vez mais presentes. Nessa linha, tem crescido o interesse pelo estudo da termodinâmica quântica. No entanto, os arranjos experimentais para realizar esses estudos com átomos podem ser complicados, pois requerem sistemas como armadilhas magneto-ópticas. Por outro lado, os fótons são estáveis, relativamente fáceis de produzir e manipular. O principal problema é que os fótons não têm níveis de energia ou massa. Para contornar este problema, usamos uma analogia entre a equação de onda paraxial e a equação de Schrodinger 2D para implementar uma simulação experimental de sistemas quânticos. Nessa analogia, uma medida em momento angular orbital (OAM) está relacionada a uma medida projetiva em energia, permitindo-nos em condições adequadas estudar a Termodinâmica Quântica com sistemas fotônicos. Demonstramos como implementar e manipular estados térmicos usando OAM como um grau de liberdade. Dentro do contexto da Termodinâmica Quântica, também implementamos o primeiro Demônio de Maxwell fotônico com feed-forward ativo usando \"interruptores ópticos ultrarrápidos\" (UFOS), onde também estudamos como banhos térmicos com correlações poderiam aumentar o poder do Demônio. O último experimento aqui apresentado está fora do contexto da termodinâmica, onde implementamos um protocolo de feed-forward baseado em fibra com o UFOS, permitindo-nos preparar estados de fóton único em polarização com alta fidelidade.

Abstract: As systems become smaller, going to almost atomic scales, the quantum effects become more and more present. Following this line, the interest in the study of quantum thermodynamics has grown. However, the experimental setups to perform these studies with atoms can be complicated, as they require systems as magneto-optical traps, for example. On the other side, photons are stable, relatively easy to produce and manipulate. The main problem is that photons do not have energetic levels or mass. To overpass this problem, we use an analogy between the paraxial wave equation and the 2D Schrodinger equation to implement experimental simulations of quantum systems. In this analogy, a measurement in orbital angular momentum (OAM) is related to a projective measurement in energy, allowing us in the proper conditions to study Quantum Thermodynamics with photonic systems. Here we demonstrate how to implement and manipulate thermal states using OAM as a degree of freedom. Inside the Quantum Thermodynamics context, we also implemented the first photonic Maxwell's Demon with active feed-forward by using ultra-fast optical switches (UFOS), where we also studied how thermal baths with correlations could enhance the Demon's power. The last experiment presented here is outside the context of thermodynamics, where we implemented a fiber-based photonic feed-forward protocol with the UFOS, allowing us to prepare single-photon states in polarization with high fidelity.