Bridging theory to experimental reality

Tuesday, February 8, 2022

Researchers find a new way to test quantum thermodynamics in the lab

En français

A duo of researchers, including IQC PhD candidate Shayan Majidy, developed a mathematical tool to investigate quantum thermodynamics on existing quantum hardware. This research helps the efforts underway to bridge the gap between theory and experimental reality.

The field of thermodynamics describes how energy is exchanged in the forms of heat and work. Classically, this area of study focuses on large systems.

If we look at a steaming cup of coffee left sitting on the table, eventually it cools down. It does this by transferring heat to its environment.  Heat is an example of a “charge.” A charge is a quantity that can move around locally but is conserved globally.

Quantum thermodynamics considers systems on the atomic scale and accounts for quantum effects. In quantum mechanics, charges may not commute. This means that if we know something about one charge, it’s possible that we can’t know something about the other. In the example of the coffee cup, a quantum coffee cup can exchange noncommuting charges. If we know how much the coffee cup cools down over time, we couldn’t know, for example, what happens to the coffee particles that evaporate into the environment.

Studying noncommuting charges has resulted in several new theoretical discoveries in quantum thermodynamics. Now, there is a procedure to help bridge these discoveries to experimental reality.

Shayan Majidy, a Vanier scholar and PhD candidate at the Institute for Quantum Computing (IQC) and the Department of Physics and Astronomy at the University of Waterloo, with Nicole Yunger Halpern, a University of Maryland researcher, created a procedure for building a Hamiltonian—a mathematical function that describes how a system changes or evolves over time—for a system of noncommuting charges.

This new method allows the design of physical experiments to test theoretical results that have been proposed in quantum thermodynamics—to find out what physically happens to the quantum cup of coffee after it exchanges charges with its environment.

“We’ve formulated this procedure for building Hamiltonians that move noncommuting charges,” said Majidy. “It’s exciting because Hamiltonians are the language of experimentalists.  Our hope is that someone can use our results to test the theoretical results in quantum thermodynamics in the lab on existing quantum processing platforms like trapped ions, cold atoms, superconductors or nuclear magnetic resonance.”

Putting noncommuting quantum thermodynamics to the test could result in interesting revelations. “Quantum effects have propelled diverse fields to achieve once unthinkable feats. Examples of this include generating images of internal organs and the abundant applications of laser-based technologies,” Majidy explained. “It’s exciting to think about what could be achieved when applying quantum mechanics to thermodynamics.”  

So far, there are some intriguing possibilities for the application of noncommuting charges to quantum technologies. More efficient quantum heat engines and longer lasting quantum memories might be some of the possible applications on the horizon.

The paper How to build Hamiltonians that transport noncommuting charges in quantum thermodynamics was published in npj Quantum Information on January 27. Read more about this work in the Quantum Frontiers blog post by Majidy: Building a Koi pond with Lie algebras.


Faire le pont entre la théorie et la réalité expérimentale

Deux chercheurs, dont Shayan Majidy, doctorant à l’IQC, ont mis au point un outil mathématique pour étudier la thermodynamique quantique sur des dispositifs quantiques existants. Ces recherches contribuent à combler le fossé entre la théorie et la réalité expérimentale.

Le domaine de la thermodynamique décrit les échanges d’énergie sous forme de chaleur et de travail. Traditionnellement, ce domaine d’étude met l’accent sur des systèmes macroscopiques.

Une tasse de café bouillant posée sur une table finit par se refroidir. Elle fait cela en transférant de la chaleur à son environnement. La chaleur est un exemple de « charge », c’est-à-dire une quantité qui peut se déplacer localement, mais qui est conservée globalement.

La thermodynamique quantique considère des systèmes à l’échelle atomique et tient compte des effets quantiques. En mécanique quantique, des charges ne peuvent pas commuter. Cela signifie que si l’on connaît quelque chose à propos d’une charge, il se peut que nous ne connaissions rien à propos d’une autre. Dans l’exemple de la tasse de café, une tasse de café quantique peut échanger des charges non commutantes avec son environnement. Par exemple, même si nous savons de combien la tasse se refroidit, nous ne pouvons pas savoir ce qui arrive aux particules du café qui s’évaporent dans l’environnement.

L’étude des charges non commutantes a entraîné plusieurs découvertes théoriques en thermodynamique quantique. Il existe maintenant une méthode qui aide à faire le pont entre ces découvertes et la réalité expérimentale.

Shayan Majidy, récipiendaire d’une bourse du Canada Vanier et doctorant à l’Institut d’informatique quantique (IQC) ainsi qu’au Département de physique et d’astronomie de l’Université de Waterloo, et Nicole Yunger Halpern, chercheuse à l’Université du Maryland, ont élaboré une méthode de construction d’un hamiltonien — fonction mathématique qui décrit l’évolution d’un système dans le temps — pour un système de charges non commutantes.

Cette nouvelle méthode permet de concevoir des expériences concrètes pour mettre à l’épreuve des résultats théoriques proposés en thermodynamique quantique — et trouver par exemple ce qui arrive physiquement à la tasse de café quantique une fois qu’elle a échangé des charges avec son environnement.

« Nous avons formulé cette méthode pour construire des hamiltoniens de transport de charges non commutantes, dit M. Majidy. C’est très intéressant, parce que les hamiltoniens sont le langage des expérimentateurs. Nous espérons que quelqu’un pourra se servir de nos travaux pour tester en laboratoire des résultats théoriques de thermodynamique quantique sur des dispositifs de traitement quantique tels que des ions piégés, des atomes ultrafroids, des supraconducteurs ou des systèmes de résonance magnétique nucléaire. » [traduction]

La mise à l’épreuve de théories de thermodynamique quantique sur des charges non commutantes pourrait entraîner des révélations intéressantes. « Les effets quantiques se sont traduits par des choses auparavant impensables dans divers domaines, explique M. Majidy. Mentionnons par exemple l’imagerie d’organes internes et les nombreuses applications des lasers. C’est enthousiasmant de penser à ce que l’on pourrait accomplir en appliquant la mécanique quantique à la thermodynamique. » [traduction]

Pour l’instant, on envisage des possibilités fascinantes d’application de charges non commutantes aux technologies quantiques. Des moteurs thermiques quantiques plus efficaces et des mémoires quantiques plus durables pourraient faire partie des applications possibles.

L’article intitulé How to build Hamiltonians that transport noncommuting charges in quantum thermodynamics (Comment construire des hamiltoniens de transport de charges non commutantes en thermodynamique quantique) a été publié le 27 janvier dans npj Quantum Information. Pour en savoir plus à propos de ces travaux, lisez dans Quantum Frontiers le blogue de Shayan Majidy intitulé Building a Koi pond with Lie algebras (Construire un étang de Koi avec des algèbres de Lie).

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