In this thesis, we investigate the emergence of kinetic processes in finite quantum systems. We first generalize the Redfield theory to describe the dynamics of a small quantum system weakly interacting with an environment of finite heat capacity. We then study in detail the spin-GORM model, a model made of a two-level system interacting with a random matrix environment. By doing this, we verify our new theory and find a critical size of the environment over which kinetic processes occur. We finally study the emergence of a diffusive transport process, on a finite tight-binding subsystem interacting with a fast environment, when the size of subsystem exceeds a critical value.

Orientador: Amir Ordacgi Caldeira / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-22T09:06:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Santos_AndreCidrim_M.pdf: 2425014 bytes, checksum: 811e505ae512a8d17530025bb5c11afb (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: Nesse trabalho estudamos o problema quântico dissipativo de um pacote gaussiano aprisionado num potencial harmônico. Seguimos uma abordagem fenomenológica de dissipação, à luz do modelo Caldeira-Leggett, onde o ambiente é caracterizado por um banho osciladores harmônicos. Sendo um dos efeitos do acoplamento com o banho transformar o pacote inicialmente puro em uma mistura estatística num processo de decorrência, estimamos o tempo característico em que isso ocorre em diferentes regimes de temperatura e acoplamento / Abstract: In this work we have studied the quantum dissipative problem of a gaussian packet under the influence of a harmonic potential. A phenomenological approach to dissipation is taken, in the light of the Caldeira-Leggett model, in which the environment is characterized by a bath of harmonic oscillators. As one of the effects of the coupling to the bath being leading the initially pure packet into a statistical mixture, we estimate the characteristic time elapsed for this to occur in different regimes of temperature and coupling / Mestrado / Física / Mestre em Física

There are several reasons why exotic and artificial atoms attract the interest of different scientific communities.In exotic atoms, matter and antimatter can coexist for surprisingly long times. Thus, they present a unique natural laboratory for high precision antimatter studies. In artificial atoms, electrons can be confined in an externally controlled way. This aspect is crucial, as it opens new possibilities for high precision measurements and also makes artificial atoms promising potential candidates for qubits, i.e. the essential bricks for quantum computation.The first part of the thesis presents theoretical studies of resonant states in antiprotonic atoms and spherical two-electron quantum dots, where well established techniques, frequently used for conventional atomic systems, can be applied after moderate modifications. In the framework of Markovian master equations, it is then demonstrated that systems containing resonant states can be approached as open systems in which the resonance width determines the environmental coupling. The second part of the thesis focuses on possible quantum computational aspects of two kinds of artificial atoms, quantum dots and Penning traps. Environmentally induced decoherence, the main obstacle for a practical realization of a quantum computer based on these devices, is studied within a simple phenomenological model. As a result, the dependence of the decoherence timescales on the temperature of the heat bath and environmental scattering rates is obtained.

Orientador: Marcelo Moraes Guzzo / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-20T17:05:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Oliveira_RobertoLeandroNevesde_D.pdf: 2779754 bytes, checksum: a4305b15e2ab247f07cb3cf74146335f (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: Nesta tese, estudamos algumas consequências fenomenológicas da introdução do fenômeno de dissipação quântica na fenomenologia de oscilações de neutrinos em duas famílias. Utilizando a abordagem de equação mestra to tipo Lindblad-Kossakowski e o critério de completa positividade, descrevemos diferentes modelos para o sistema de oscilação de neutrinos sujeitos aos efeitos dissipativos causados por considerarmos que estes estão abertos a interagirem com o meio a seu redor. Investigamos como incluir os efeitos dissipativos para oscilação de neutrinos no vacuo e para quando os efeitos causados pelo potencial efetivo de matéria também estão incluídos no modelo de oscilação. Por m, aplicamos a fenomenologia estudada ao experimento MINOS como forma de observar como os efeitos dissipativos se comportam frente aos dados experimentais / Abstract: In this thesis, we study the introduction of the quantum dissipation phenomenon and the phenomenological consequences in the model of neutrino oscillations in two families. Using the Lindblad-Kossakowski master-equation approach and the complete positivity condition, we describe different models for the neutrino oscillation system subject to dissipative effects, that are caused when we consider that neutrinos can interact with the environment around them, forming a open quantum system. We investigate as to include the dissipative e ects in neutrino oscillation in vacuum and when the effects of the efective potential of matter are also included in the model of oscillation. Finally, we apply the phenomenology studied to MINOS experiment as a way to observe the behavior of the dissipative e effects from experimental data / Doutorado / Física / Doutor em Ciências

Submitted by Kamila Costa (kamilavasconceloscosta@gmail.com) on 2015-06-19T19:03:38Z No. of bitstreams: 1 Dissertação-Carlos F de O Mendes.pdf: 2879258 bytes, checksum: f17f29894c03ef3d86d4a3566328988e (MD5) / Approved for entry into archive by Divisão de Documentação/BC Biblioteca Central (ddbc@ufam.edu.br) on 2015-07-06T19:16:17Z (GMT) No. of bitstreams: 1 Dissertação-Carlos F de O Mendes.pdf: 2879258 bytes, checksum: f17f29894c03ef3d86d4a3566328988e (MD5) / Approved for entry into archive by Divisão de Documentação/BC Biblioteca Central (ddbc@ufam.edu.br) on 2015-07-06T19:20:01Z (GMT) No. of bitstreams: 1 Dissertação-Carlos F de O Mendes.pdf: 2879258 bytes, checksum: f17f29894c03ef3d86d4a3566328988e (MD5) / Made available in DSpace on 2015-07-06T19:20:01Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertação-Carlos F de O Mendes.pdf: 2879258 bytes, checksum: f17f29894c03ef3d86d4a3566328988e (MD5) Previous issue date: 2014-12-09 / CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / In this work we consider the dynamical aspect of open quantum systems where a particle is subject to energy exchange with the environment. The environment (bath) consists of a finite number N of harmonic oscillators (HOs), characterizing a structured bath, for which a non-Markovian behavior is expected. We determine the numerical solution of the stochastic Schrödinger equation for a particle coupled to the bath. We study two different situations for the system’s particle: the harmonic potential and the ratchet potential. In the limit N → ¥ the bath is assumed to have an ohmic, sub-ohmic, and super-ohmic spectral density. In the case of the harmonic potential, for low values of N we observe an energy exchange between system and bath indefinitely in time, while for intermediate values of N is observed a decay in two time regimes: exponential for short times and power law for larger times. In the case of the ratchet potential, we observe that the energy returns to the systemeven for intermediate values of N. Wave packets are used to determine the evolution of the particle in the system potential. / Neste trabalho consideramos o aspecto dinâmico de sistemas quânticos abertos onde uma partícula fica sujeita a trocas de energia com o ambiente. O ambiente (banho) é composto de um número finito N de osciladores harmônicos (HOs), caracterizando um banho estruturado, para o qual um comportamento não-Markoviano é esperado. Determinamos a solução numérica da equação de Schrödinger estocástica para uma partícula acoplada ao banho. Estudamos duas situações distintas para o sistema de partícula: o potencial harmônico e o potencial de catraca. No limite N → ¥ o banho é assumido ter um espectro de densidade ôhmico, sub-ôhmico e super-ôhmico. No caso do potencial harmônico, para baixos valores de N observamos uma troca de energia entre sistema e banho indefinidamente no tempo, enquanto que para valores intermediários de N observa-se decaimento em dois regimes de tempo: exponencial para baixos valores de tempo e lei de potência para valores mais altos de tempo. No caso do potencial de catraca, observamos que a energia volta para o sistema até para valores intermediários de N. Pacotes de ondas são usadas para determinar a evolução da partícula nos potenciais do sistema.

Orientador: Amir Ordacgi Caldeira / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-07T02:10:11Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DuarteMunoz_OscarSalomon_M.pdf: 811647 bytes, checksum: 885831c55576cff8931959e32201407a (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: Usamos o modelo "sistema-mais-reservatório" para estudar a dinâmica de um sistema de duas partículas que interagem com um reservatório em equilíbrio térmico, mas não interagem entre si. Apresentamos uma extensão do banho de osciladores capaz de induzir um acoplamento efetivo entre as partículas brownianas dependendo da escolha feita para a função espectral dos osciladores que compõem o banho. O acoplamento é não linear nas variáveis de interesse e impomos uma dependência exponencial nestas variáveis para garantir a invariância translacional do modelo. A interação efetiva resultante é apresentada usando as equações de movimento clágsicas e o limite quântico é estudado através do operador densidade reduzido das duas partículas. Mostramos que, no limite de tempos longos e distâncias curtas, o nosso modelo reproduz os resultados do modelo linear para o caso de apenas uma partícula. Finalmente, calculamos a evolução temporal de um estado inicial formado pelo produto de dois pacotes simples / Abstract: We use the system-plus-reservoir model to study the dynamics of a system of two particles that interact with a heat bath in thermal equilibrium, but do not interact with each other. We present an extension of the bath of oscillators capable of inducing an effective coupling between the brownian particles depending on the choice made to the spectral function of the oscillators components of the bath. The coupling is non-linear in the variables of interest and an exponential dependence is imposed in order to guarantee the translational invariance of the model. The resultant effective interaction is presented using the classical equations of motion and the quantum limit is studied through the time evolution of reduced density operator of the two particles. We find that, in the limit of long times and short distances, our model reproduces the results of the linear model for the case of only one particle. Finally, we describe the time evolution of an initial state given by the product of two simple packets / Mestrado / Física da Matéria Condensada / Mestre em Física

Realizamos nesse trabalho um tratamento abrangente da interação entre um sistema quântico e o meio ambiente modelado como um conjunto de osciladores harmônicos. Partimos para isso de um tratamento prévio de redes de osciladores harmônicos quânticos dissipativos. Utilizando a função característica, transformamos a equação de von Neumann em uma equação diferencial, e explorando a sua linearidade, essa é transformada em uma equação vetorial, cuja resolução é computacionalmente eficiente. Nosso formalismo, que parte de uma rede de osciladores harmônicos, não necessariamente dividida entre sistema e meio ambiente, permite que se contorne a necessidade da hipótese de acoplamento súbito sistema-reservatório para o tratamento exato da evolução do sistema. Em seguida, mostramos que essa evolução pode ser sempre descrita por uma equação mestra na forma usual de Lindblad, embora os coeficientes que a definem possam ser dependentes do tempo. Isso abre novas possibilidades para a dinâmica do sistema, e leva a efeitos que podem ser classificados de não-Markovianos, embora sejam descritos por uma equação mestra completamente local no tempo. Ressaltamos que, por ser baseado em uma solução exata, o método pode ser aplicado para qualquer intensidade de acoplamento, e é consideravelmente mais simples do que outros métodos disponíveis para esse fim, como os baseados em integrais de trajetória. Por fim, utilizamos simulações computacionais para explorar a validade das aproximações de ondas girantes e de Born-Markov, e os fenômenos que podem ser observados nos regimes em que elas deixam de ser válidas. / We present a comprehensive treatment of the interaction of a quantum system with an environment modeled as a set of harmonic oscillators. We start from a previous treatment of a network of quantum dissipative harmonic oscillators. Using the characteristic function, we transform the von Neumann equation in a differential equation, and exploring its linearity, this is transformed in a vector equation, whose solution is computationally efficient. Our method, whose origin lies on a network not necessarily divided into system and reservoir, allows us to circumvent the necessity of the sudden-coupling approximation for the exact treatment of the system evolution. After this, we show that this dynamics can always be described by a master equation in standard Lindblad form, although its coefficients may be functions of time. This opens new possibilities for the system dynamics, and lead to effects that may be called non-Markovian, even if they are described by a completely local-in-time master equation. It should be emphasized that, as it is based on an exact solution, the method may be applied for any strength of the system-reservoir interaction, and it is considerably simpler than other available methods, such as those based on path integrals. Finally, we employ computer simulations to investigate the validity of the rotating-wave and Born-Markov approximations, and the phenomena that migth be observed in regimes in which they fail to be valid.

Nessa dissertação, abordamos o problema de dois qubits interagindo com campos externos e entre si controladamente, de acordo com um Hamiltoniano considerado realista para implementação da porta lógica quântica XOR. Introduzimos acoplamentos entre as observáveis do sistema de dois qubits e um banho de osciladores harmônicos a fim de tratarmos o problema da dissipação e da decoerência. Primeiramente nós consideramos o limite no qual a decoerência é mais rápida que qualquer processo gerado pelo Hamiltoniano do sistema. Prosseguimos então, através do método numérico conhecido como Integrador Unitário, com o estudo da matriz densidade do sistema durante a operação da porta lógica quântica sem incluir, inicialmente, o acoplamento com o banho de osciladores harmônicos. Finalmente, implementamos o método numérico conhecido como Propagador quase adiabático para estudar a decoerência e a dissipação durante a operação da porta lógica quântica XOR, a fim de analisarmos os aspectos perturbativos do sistema quântico de dois qubits. / In this dissertation, we approach the problem of two qubits interading with themselves and with externa1 fields in a controlled way, according to a Hamiltonian considered realistic to implement the XOR quantum gate. We introduce couplings between the observables of the two-qubits system and of a bath of harmonic oscillators, to treat the problems of dissipation and decoherence. Preliminarly, we consider the limit in which decoherence is faster than any process dictated by the Hamiltonian evolution of the system. Then, through a unitary-integrator numerical method, we proceed with the study of the evolution of the density matrix of the system during the operation of the logical quantum gate, initially, without the coupling with the bath of harmonic oscillators. Finally, we use the quasiadiabatic path integral method to study the dissipation and decoherence during the logical operation, through the inclusion of the bath.

Nessa dissertação, abordamos o problema de dois qubits interagindo com campos externos e entre si controladamente, de acordo com um Hamiltoniano considerado realista para implementação da porta lógica quântica XOR. Introduzimos acoplamentos entre as observáveis do sistema de dois qubits e um banho de osciladores harmônicos a fim de tratarmos o problema da dissipação e da decoerência. Primeiramente nós consideramos o limite no qual a decoerência é mais rápida que qualquer processo gerado pelo Hamiltoniano do sistema. Prosseguimos então, através do método numérico conhecido como Integrador Unitário, com o estudo da matriz densidade do sistema durante a operação da porta lógica quântica sem incluir, inicialmente, o acoplamento com o banho de osciladores harmônicos. Finalmente, implementamos o método numérico conhecido como Propagador quase adiabático para estudar a decoerência e a dissipação durante a operação da porta lógica quântica XOR, a fim de analisarmos os aspectos perturbativos do sistema quântico de dois qubits. / In this dissertation, we approach the problem of two qubits interading with themselves and with externa1 fields in a controlled way, according to a Hamiltonian considered realistic to implement the XOR quantum gate. We introduce couplings between the observables of the two-qubits system and of a bath of harmonic oscillators, to treat the problems of dissipation and decoherence. Preliminarly, we consider the limit in which decoherence is faster than any process dictated by the Hamiltonian evolution of the system. Then, through a unitary-integrator numerical method, we proceed with the study of the evolution of the density matrix of the system during the operation of the logical quantum gate, initially, without the coupling with the bath of harmonic oscillators. Finally, we use the quasiadiabatic path integral method to study the dissipation and decoherence during the logical operation, through the inclusion of the bath.

Realizamos nesse trabalho um tratamento abrangente da interação entre um sistema quântico e o meio ambiente modelado como um conjunto de osciladores harmônicos. Partimos para isso de um tratamento prévio de redes de osciladores harmônicos quânticos dissipativos. Utilizando a função característica, transformamos a equação de von Neumann em uma equação diferencial, e explorando a sua linearidade, essa é transformada em uma equação vetorial, cuja resolução é computacionalmente eficiente. Nosso formalismo, que parte de uma rede de osciladores harmônicos, não necessariamente dividida entre sistema e meio ambiente, permite que se contorne a necessidade da hipótese de acoplamento súbito sistema-reservatório para o tratamento exato da evolução do sistema. Em seguida, mostramos que essa evolução pode ser sempre descrita por uma equação mestra na forma usual de Lindblad, embora os coeficientes que a definem possam ser dependentes do tempo. Isso abre novas possibilidades para a dinâmica do sistema, e leva a efeitos que podem ser classificados de não-Markovianos, embora sejam descritos por uma equação mestra completamente local no tempo. Ressaltamos que, por ser baseado em uma solução exata, o método pode ser aplicado para qualquer intensidade de acoplamento, e é consideravelmente mais simples do que outros métodos disponíveis para esse fim, como os baseados em integrais de trajetória. Por fim, utilizamos simulações computacionais para explorar a validade das aproximações de ondas girantes e de Born-Markov, e os fenômenos que podem ser observados nos regimes em que elas deixam de ser válidas. / We present a comprehensive treatment of the interaction of a quantum system with an environment modeled as a set of harmonic oscillators. We start from a previous treatment of a network of quantum dissipative harmonic oscillators. Using the characteristic function, we transform the von Neumann equation in a differential equation, and exploring its linearity, this is transformed in a vector equation, whose solution is computationally efficient. Our method, whose origin lies on a network not necessarily divided into system and reservoir, allows us to circumvent the necessity of the sudden-coupling approximation for the exact treatment of the system evolution. After this, we show that this dynamics can always be described by a master equation in standard Lindblad form, although its coefficients may be functions of time. This opens new possibilities for the system dynamics, and lead to effects that may be called non-Markovian, even if they are described by a completely local-in-time master equation. It should be emphasized that, as it is based on an exact solution, the method may be applied for any strength of the system-reservoir interaction, and it is considerably simpler than other available methods, such as those based on path integrals. Finally, we employ computer simulations to investigate the validity of the rotating-wave and Born-Markov approximations, and the phenomena that migth be observed in regimes in which they fail to be valid.