Manipulación de spin electrónico y nuclear de defectos Nitrógeno-Vacancia en diamante y propuesta de aplicación en Termometría Cuántica

Abstract

El control de sistemas cuánticos es uno de los más grandes desafíos de la física actual debido a las múltiples aplicaciones que pueden tener como por ejemplo construcción del computador cuántico, metrología de alta precisión (campos magnéticos, temperatura), etc. Esta tesis se encuentra en la intersección de dos áreas importantes como la Mecánica Cuántica y Termodinámica. Siendo nuestro objetivo proponer una secuencia de pulsos para medir la temperatura de un sistema cuántico, observando el cambio de la polarización de un qbit externo (qbit control). Sabemos que de la estadística de Boltzmann se puede relacionar la temperatura de un sistema cuántico en estado térmico. Entonces, al usar el circuito de Dispersión Cuántica donde inicialmente el qbit de control está en el estado |0> y el qbit objetivo se encuentra en equilibrio térmico con el ambiente. Mostramos que al medir < σzc > en el qbit de control obtenemos un valor que depende de la temperatura del qbit objetivo. De esa manera, mostramos que es posible obtener información de la temperatura de sistema cuántico. Además, estamos interesados en la posibilidad de implementar este termómetro cuántico en un sistema muy versátil como el centro nitrógeno-vacancia (NV). El centro NV es uno de los defectos más interesantes para tecnologías cuánticas a temperatura ambiente. Diversas propiedades hacen de este defecto una excelente plataforma para muchas aplicaciones como por ejemplo sensores magnéticos y procesamiento de información cuántica.

The control of quantum systems is one of the greatest challenges of current physics due to the multiple applications that can have such as quantum computer construction, high precision metrology (magnetic fields, temperature), etc. This thesis is at the intersection of two important areas such as Quantum Mechanics and Thermodynamics. Our objective being to propose a sequence of pulses to measure the temperature of a quantum system, observing the change in the polarization of an external qubit (qubit control). We know that the temperature of a quantum system in a thermal state can be related to Boltzmann's statistics. Then, when using the Quantum Dispersion circuit where initially the control qubit is in the |0> state and the target qubit is in thermal equilibrium with the environment. We show that by measuring < σzc > in the control qubit we get a value that depends on the temperature of the target qubit. In that way, we show that it is possible to obtain information about the temperature in a quantum system. In addition, we are interested in the possibility of implementing this quantum thermometer in a very versatile system such as the nitrogen-vacancy center (NV). The NV center is one of the most interesting defects for quantum technologies at room temperature. Various properties make this defect an excellent platform for many applications such as magnetic sensors and quantum information processing.