Trade-off between coherence and heat in a non-Markovian dephasing dynamics
| Ano de defesa: | 2026 |
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| Autor(a) principal: | |
| Orientador(a): | |
| Banca de defesa: | |
| Tipo de documento: | Dissertação |
| Tipo de acesso: | Acesso aberto |
| Idioma: | eng |
| Instituição de defesa: |
Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
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| Programa de Pós-Graduação: |
Não Informado pela instituição
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| Departamento: |
Não Informado pela instituição
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| País: |
Não Informado pela instituição
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| Palavras-chave em Português: | |
| Link de acesso: | https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/76/76134/tde-25022026-082521/ |
Resumo: | The relation between quantum coherence and thermodynamic irreversibility is of fundamental importance for understanding the concepts of quantum thermodynamics. In this work, we investigate this connection within the pure dephasing framework, in which a central qubit interacts with a finite spin environment modeled as an Ising chain. Although no net energy exchange occurs between the system and the environment, the qubit undergoes decoherence, revealing nontrivial thermodynamic behavior. The dynamics of coherence are analyzed numerically through the magnitude of the time-dependent coherence function ⌈(t), whose oscillatory behavior provides evidence of information backflow and non-Markovian features. By computing the Breuer−Laine−Piilo measure, we confirm that the information flux becomes positive during coherence revivals, signaling memory effects arising from the finite environment. From a thermodynamic perspective, the numerical results demonstrate that the mean heat and the work evolve in perfect antiphase, satisfying the energetic balance relation ⟨Q⟩ = ⟨W⟩. Moreover, the mean heat ⟨Q⟩ and |⌈(t)| exhibit intertwined behavior: the maximum of heat dissipation occurs when coherence reaches its minimum, indicating a trade-off in the pure dephasing regime. This behavior shows that heat dissipation in this regime acts as a thermodynamic signature of coherence loss and recovery. |
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Trade-off between coherence and heat in a non-Markovian dephasing dynamicsAlternância entre coerência e calor numa dinâmica de defasagem não-Markovianacoerênciacoherencedefasagem puradinâmica não-Markoviananon-Markovian dynamicspure dephasingquantum thermodynamicstermodinâmica quânticaThe relation between quantum coherence and thermodynamic irreversibility is of fundamental importance for understanding the concepts of quantum thermodynamics. In this work, we investigate this connection within the pure dephasing framework, in which a central qubit interacts with a finite spin environment modeled as an Ising chain. Although no net energy exchange occurs between the system and the environment, the qubit undergoes decoherence, revealing nontrivial thermodynamic behavior. The dynamics of coherence are analyzed numerically through the magnitude of the time-dependent coherence function ⌈(t), whose oscillatory behavior provides evidence of information backflow and non-Markovian features. By computing the Breuer−Laine−Piilo measure, we confirm that the information flux becomes positive during coherence revivals, signaling memory effects arising from the finite environment. From a thermodynamic perspective, the numerical results demonstrate that the mean heat and the work evolve in perfect antiphase, satisfying the energetic balance relation ⟨Q⟩ = ⟨W⟩. Moreover, the mean heat ⟨Q⟩ and |⌈(t)| exhibit intertwined behavior: the maximum of heat dissipation occurs when coherence reaches its minimum, indicating a trade-off in the pure dephasing regime. This behavior shows that heat dissipation in this regime acts as a thermodynamic signature of coherence loss and recovery.A relação entre coerência quântica e irreversibilidade termodinâmica é fundamental para entender a termodinâmica quântica. Neste trabalho investigamos essa conexão no regime de defasagem pura, no qual um q-bit central interage com um ambiente finito de spins descrito por uma cadeia do tipo Ising. Mesmo na ausência de troca de energia entre o q-bit e o ambiente, o q-bit sofre defasagem, revelando um comportamento termodinâmico não trivial. A evolução temporal da coerência é analisada numericamente por meio do módulo da função de coerência ⌈(t), cujo comportamento oscilatório evidencia o retorno de informação, característica da dinâmica não-Markoviana. A partir do cálculo da medida de Breuer-Laine-Piilo, verificamos que o fluxo de informação assume valores positivos durante o aumento de coerência, indicando efeitos de memória associados ao ambiente finito. Sob a perspectiva termodinâmica, os resultados numéricos indicam que o calor médio e o trabalho evoluem em antifase, satisfazendo a relação de balanço energético ⟨Q⟩ = ⟨W⟩. Além disso, observa-se que o calor médio ⟨Q⟩ e |⌈(t)| apresentam comportamentos interdependentes no tempo: a dissipação de calor tende a atingir valores máximos quando a coerência assume valores mínimos, indicando uma alternância no regime de defasagem pura. Esse comportamento mostra que a dissipação de calor neste regime atua como um indicador termodinâmico da perda e recuparação de coerência.Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USPPinto, Diogo de Oliveira SoaresLenzarini, Marino Paiva2026-02-05info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttps://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/76/76134/tde-25022026-082521/reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USPinstname:Universidade de São Paulo (USP)instacron:USPLiberar o conteúdo para acesso público.info:eu-repo/semantics/openAccesseng2026-02-25T18:58:06Zoai:teses.usp.br:tde-25022026-082521Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttp://www.teses.usp.br/PUBhttp://www.teses.usp.br/cgi-bin/mtd2br.plvirginia@if.usp.br|| atendimento@aguia.usp.br||virginia@if.usp.bropendoar:27212026-02-25T18:58:06Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP - Universidade de São Paulo (USP)false |
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The relation between quantum coherence and thermodynamic irreversibility is of fundamental importance for understanding the concepts of quantum thermodynamics. In this work, we investigate this connection within the pure dephasing framework, in which a central qubit interacts with a finite spin environment modeled as an Ising chain. Although no net energy exchange occurs between the system and the environment, the qubit undergoes decoherence, revealing nontrivial thermodynamic behavior. The dynamics of coherence are analyzed numerically through the magnitude of the time-dependent coherence function ⌈(t), whose oscillatory behavior provides evidence of information backflow and non-Markovian features. By computing the Breuer−Laine−Piilo measure, we confirm that the information flux becomes positive during coherence revivals, signaling memory effects arising from the finite environment. From a thermodynamic perspective, the numerical results demonstrate that the mean heat and the work evolve in perfect antiphase, satisfying the energetic balance relation ⟨Q⟩ = ⟨W⟩. Moreover, the mean heat ⟨Q⟩ and |⌈(t)| exhibit intertwined behavior: the maximum of heat dissipation occurs when coherence reaches its minimum, indicating a trade-off in the pure dephasing regime. This behavior shows that heat dissipation in this regime acts as a thermodynamic signature of coherence loss and recovery. |
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