Entangled Four-Level Quantum Otto Engines In and Outside of the Quasistatic Limit
(2025) FYSK04 20251Department of Physics
- Abstract
- An emerging research topic in quantum thermodynamics is the study of entangled quantum heat engines, where the working medium consists of an entangled quantum system. These engines offer exciting platforms for exploring fundamental aspects of quantum thermodynamics, its intersection with quantum information theory and the nature of entanglement in general. In this bachelor’s thesis, the performance characteristics of a four-level quantum heat engine operating the Otto cycle are extensively investigated. The engine is analyzed both in the quasistatic limit and in the endoreversible regime. To quantify the amount of entanglement in the system, the concurrence is used. It is found that, depending on the system parameters and the temperatures... (More)
- An emerging research topic in quantum thermodynamics is the study of entangled quantum heat engines, where the working medium consists of an entangled quantum system. These engines offer exciting platforms for exploring fundamental aspects of quantum thermodynamics, its intersection with quantum information theory and the nature of entanglement in general. In this bachelor’s thesis, the performance characteristics of a four-level quantum heat engine operating the Otto cycle are extensively investigated. The engine is analyzed both in the quasistatic limit and in the endoreversible regime. To quantify the amount of entanglement in the system, the concurrence is used. It is found that, depending on the system parameters and the temperatures of the thermal reservoirs, a variation of the Otto cycle is necessary for the engine to produce net work. This cycle is extensively compared to the standard Otto cycle in terms of its operating regime and efficiency, of which both are expressed in terms of the concurrence of the system. It is found that both cycles can attain the Carnot efficiency in specific limits and for certain system parameters. In the endoreversible regime, a dynamical model of the engine is developed using the theory of open quantum systems and the QuTiP Python library. This model allows for the tracking of all relevant thermodynamic quantities of interest during the engine’s operation — including the concurrence — and offers a promising testbed for future numerical research. (Less)
- Popular Abstract (Swedish)
- I detta kandidatarbete stod en fråga i fokus: vilken roll spelar kvantsammanflätning i en kvantmekanisk Otto-motor? För den allmänna läsaren kan denna fråga låta ganska obegriplig: Vad är kvantsammanflätning? Vad är en kvantmekanisk Otto-motor? Och kanske allra viktigast –- varför är detta överhuvudtaget intressant att utforska? Syftet med denna sammanfattning är att försöka besvara dessa frågor, på ett sätt som förhoppningsvis är begripligt även för den som inte är särskilt insatt i ämnet.
Sedan den industriella revolutionen har människan strävat efter att bygga bättre och mer effektiva motorer. Ur denna strävan föddes den gren av fysiken vi idag kallar för termodynamik. Termodynamiken handlar om begrepp så som temperatur, tryck och... (More) - I detta kandidatarbete stod en fråga i fokus: vilken roll spelar kvantsammanflätning i en kvantmekanisk Otto-motor? För den allmänna läsaren kan denna fråga låta ganska obegriplig: Vad är kvantsammanflätning? Vad är en kvantmekanisk Otto-motor? Och kanske allra viktigast –- varför är detta överhuvudtaget intressant att utforska? Syftet med denna sammanfattning är att försöka besvara dessa frågor, på ett sätt som förhoppningsvis är begripligt även för den som inte är särskilt insatt i ämnet.
Sedan den industriella revolutionen har människan strävat efter att bygga bättre och mer effektiva motorer. Ur denna strävan föddes den gren av fysiken vi idag kallar för termodynamik. Termodynamiken handlar om begrepp så som temperatur, tryck och energi –- egenskaper som finns hos mycket stora samlingar av atomer eller molekyler, och som är avgörande för att förstå hur motorer fungerar. I sin enklaste form kan en motor ses som en apparat placerad mellan två värmereservoarer (ibland kallade ”bad”) med olika temperaturer. När värme flödar från det varma badet, genom apparaten och vidare till det kalla badet, kan apparaten ”stjäla” en del av energin och omvandla den till arbete – till exempel genom att få ett bildäck att snurra. I praktiken sker detta på många olika sätt, men den vanligaste typen av motor vi stöter på i vardagen (till exempel i en bil) är en så kallad Otto-motor.
Under 1900-talet kom teknikutvecklingen att i allt högre grad att handla om att göra saker mindre. Från 1950-talets enorma datorer, som knappt fick plats i ett klassrum, har vi idag datorer i fickformat –- mobiltelefoner –- som är många gånger kraftfullare. Men kan samma princip appliceras på motorer? Skulle vi till exempel kunna bygga en motor som består av bara två atomer? För att kunna besvara denna fråga måste vi anpassa de termodynamiska lagarna så att de också fungerar för sådana få-partikel system. Vad betyder det till exempel att säga att två atomer har en hög eller låg temperatur? När vi går in i kvantvärlden öppnas också dörren till nya och ofta märkliga fenomen, som helt saknar motsvarighet i vår vardagliga verklighet. Ett av de mest fascinerande av dessa fenomen är kvantsammanflätning.
När två partiklar är sammanflätade kan man påverka den ena partikeln --– till exempel genom att mäta dess position --– på ett sådant sätt att den andra partikelns tillstånd påverkas omedelbart, oavsett hur långt avståndet är mellan partiklarna. Denna koppling tycks vid första anblick trotsa både tid och rum, vilket bidrog till att Einstein kallade fenomenet för ”spöklikt”. Sammanflätning är dock inte bara ett märkligt kvantfenomen --– det verkar också kunna vara en av grundpelarna i framtidens teknik, till exempel i kvantdatorer. En kvantdator skulle i teorin kunna lösa vissa problem på bara några minuter, som dagens datorer skulle behöva år för att lösa.
Med detta i åtanke kan vi återvända till vår ursprungliga fråga: Vad händer om de två atomerna i vår motor är sammanflätade? Hur påverkar det till exempel motorns effektivitet? Och kan sammanflätning möjliggöra alternativa sätt att driva motorn på? Det är just denna typ av frågor som har undersökts i detta kandidatarbete. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
http://lup.lub.lu.se/student-papers/record/9196950
- author
- Löfgren, Leon LU
- supervisor
-
- Peter Samuelsson LU
- Daniel Holst LU
- organization
- course
- FYSK04 20251
- year
- 2025
- type
- M2 - Bachelor Degree
- subject
- keywords
- quantum thermodynamics, entanglement, quantum heat engines, otto cycle
- language
- English
- id
- 9196950
- date added to LUP
- 2025-06-11 10:51:46
- date last changed
- 2025-06-11 10:51:46
@misc{9196950,
abstract = {{An emerging research topic in quantum thermodynamics is the study of entangled quantum heat engines, where the working medium consists of an entangled quantum system. These engines offer exciting platforms for exploring fundamental aspects of quantum thermodynamics, its intersection with quantum information theory and the nature of entanglement in general. In this bachelor’s thesis, the performance characteristics of a four-level quantum heat engine operating the Otto cycle are extensively investigated. The engine is analyzed both in the quasistatic limit and in the endoreversible regime. To quantify the amount of entanglement in the system, the concurrence is used. It is found that, depending on the system parameters and the temperatures of the thermal reservoirs, a variation of the Otto cycle is necessary for the engine to produce net work. This cycle is extensively compared to the standard Otto cycle in terms of its operating regime and efficiency, of which both are expressed in terms of the concurrence of the system. It is found that both cycles can attain the Carnot efficiency in specific limits and for certain system parameters. In the endoreversible regime, a dynamical model of the engine is developed using the theory of open quantum systems and the QuTiP Python library. This model allows for the tracking of all relevant thermodynamic quantities of interest during the engine’s operation — including the concurrence — and offers a promising testbed for future numerical research.}},
author = {{Löfgren, Leon}},
language = {{eng}},
note = {{Student Paper}},
title = {{Entangled Four-Level Quantum Otto Engines In and Outside of the Quasistatic Limit}},
year = {{2025}},
}