Atomik ve fotonik sistemlerde ısı yönetimi

Son yıllarda kuantum eş-uyumluluk ve kuantum dolaşıklık gibi özellikleri barındıran fiziksel sistemlere dayanan çalışmalarda kuantum teknolojilerinde önemli gelişmeler olduğu görülmektedir. Prensip olarak bu sistemler izole olmayan ve çevresiyle etkileşen sistemlerdir. Çevreyle etkileşim, sistemin kuantum korelasyonlarının zayıflamasına veya tamamen yok olmasına karşılık gelen eş-uyumluluk kaybına (decoherence) sebep olmaktadır. Sistemin çevresiyle etkileşiminin dinamiğini tanımlayan matematiksel formülasyon, beraberinde genel olarak pek çok matematiksel yaklaşım gerektirmektedir. Örneğin, bir ısı banyosuyla zayıf etkileşim gösteren sistemin kuantum Markovian master denklemi pertürbasyon yaklaşıma dayanır. Sistemlerin birbiriyle etkileşiminin ihmal edildiği durumda, fenomenolojik bir yaklaşım ile türetilen Master denkleminde, "lokal" dağılım (dissipation) terimlerinin ortaya çıktığı görülür. Biz böyle bir yaklaşımın, aralarında doğrusal olmayan etkileşimler içeren rezonatörler söz konusu olduğunda, termodinamik yasalarıyla tutarsız olduğunu gösteriyoruz. Buna karşılık birinci yasadan türetilen Master denklemi tutarlıdır ve genellikle "global" Master denklemi adını alır. Kuantum-temelli teknolojilerin minyatürleştirilmesinde, ısı akışının ciddi kısıtlar getirdiğini biliyoruz. Ancak ısı akışını bir gürültü yapısı olarak düşünmek yerine, bu cihazlara ısı ile güç sağlamak umut verici olabilir. Buna göre, ısı akışını kontrol etmede yardımcı olabilecek kuantum termal ısı yöneticilerinin verimli modellerine sahip olmak gerekir. Bu bağlamda, biz, sırasıyla mükemmel düzeltme ve çok büyük ayarlanabilir ısı amplifikasyonu sağlayabilen verimli bir kuantum termal diyot ve kuantum transistör modeli öneriyoruz. Bunlara ek olarak, kuple olmuş iki kübit sisteminden oluşan kuantum termal transistör modelimizin, literatürde daha çok en az üç-kübitlik sistemlerle tasarlanan kuantum soğutucu modellerinin yanında, kuantum absorbsiyon soğutucusu olarak da kullanılabileceğini gösterdik. Bu soğutucular, genellikle klasik rezervuarlar yerine, sonlu kuantum sistemlerini soğutmak için gereklidir. Örneğin, kuantum bilgi ve kuantum iletişim alanında tasarlanan mekanik sistemlere dayanan pek çok uygulama için, mekanik rezonatörlerin temel enerji durumuna soğutulması ön koşuldur. Ancak, birden çok rezonatörün temel enerji durumuna soğutulması, tipik lazer ve geri beslemeli soğutma şemalarını kullanarak zordur. Biz de bu zorluğun üstesinden gelmek için, birden çok rezonatörü eş zamanlı olarak soğutmanın mümkün olduğu bir şema öneriyoruz. Daha önce yapılmış çalışmalardan farklı olarak, bir dış kontrol veya iş girdisi gerekmeden, eş-uyumluluk içermeyen termal sürücüler (incoherent thermal drives) yoluyla birden çok rezonatörü eş zamanlı soğutmayı yapabiliyoruz. Son olarak, yalnızca eş-uyumluluk içermeyen ısı banyosu yoluyla sürülen ve birbiriyle kuple olmayan (direk etkileşmeyen) mekanik resonatörler arasında dolaşıklık oluşmasının mümkün olabileceğini keşfettik. Isı banyosunun uygun bir spektrumda seçilmesiyle, resonatörlerin arasında kayda değer bir dolaşıklık oluşumu olabileceğini gösterdik. Eş-uyumluluk içermeyen ısı banyosu, istenmeyen dağılımın (dissipation) bastırılmasını ve gerekli olan iki-mod sıkma-tipi etkileşimlerin üretilmesini sağlayarak, rezonatörler arasında dolaşıklık oluşmasını tetikler.