Formulations of quantum thermodynamics and applications in open systems

• Ano de defesa: 2026
• Autor(a) principal: Choquehuanca, John Milton Zapana
• Orientador(a): Sarandy, Marcelo Silva
• Banca de defesa: Pinto, Diogo de Oliveira Soares , Aguiar, Fernando Iemini de Rezende , Serra, Roberto Menezes , Oliveira, Thiago Rodrigues de
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Link de acesso: https://app.uff.br/riuff/handle/1/44475
• topic: Termodinâmica quântica; Ergotropia; Não-markovianidade; Coerência quântica; Calor; Ergotropy; Non-Markovianity; Heat; Entropy; Quantum thermodynamics; Ergotropy; non-Markovianity; Quantum coherence; Heat

A termodinâmica quântica emergiu como um campo central para entender como são os processos de conversão de energia em sistemas microscópicos. Nesses sistemas, efeitos como coerência, entrelaçamento e não-markovianidade desempenham papéis fundamentais. Nesta tese, exploramos diferentes formas de descrever a termodinâmica quântica, usando duas abordagens principais: uma baseada em entropia e outra em ergotropia. Primeiro, introduzimos uma abordagem generalizada para quantificar a não-markovianidade por meio da quebra da monotonicidade em funções termodinâmicas. Nesse contexto, o fluxo de calor baseado em entropia surge como uma ferramenta prática para testemunhar e medir memória quântica em mapas unitais que não invertem o sinal da energia interna. Em seguida, analisamos a dinâmica da ergotropia em qubits abertos, tanto em evoluções markovianas quanto não-markovianas. Identificamos fenômenos como o congelamento e a morte súbita da ergotropia, além de estabelecer uma relação analítica entre a variação da ergotropia e o trabalho induzido pelo ambiente. Isso fornece uma interpretação física clara para o termo adicional da primeira lei na formulação baseada em entropia. Por fim, propomos uma formulação termodinâmica baseada em ergotropia, na qual o calor é reinterpretado em termos da variação do estado passivo associado ao operador densidade que governa a dinâmica quântica. Essa abordagem permite medir a não-markovianidade de mapas unitais de forma mais geral e precisa do que o fluxo de calor baseado em entropia. Essa vantagem surge da ligação direta entre calor e entropia de von Neumann, uma propriedade garantida pela invariância sob transformações passivas. Além disso, a temperatura fora do equilíbrio se mantém naturalmente não-negativa, de maneira análoga à termodinâmica no equilíbrio. Esses resultados consolidam a formulação entrópica e ergotrópica como ferramentas úteis para identificar a não-markovianidade. Na abordagem entrópica, o ambiente exerce uma influência sobre o sistema por meio de trabalho. Nós estabelecemos um limite para esse trabalho induzido pelo ambiente, baseado no custo energético necessário para transitar entre os estados passivos inicial e final da dinâmica quântica. A partir desse custo passivo, atribuímos a ele o papel de calor. Isso nos permite estabelecer a primeira lei da termodinâmica quântica, na qual parte do trabalho é representada pela variação da ergotropia.