Small quantum absorption refrigerator in the transient regime: time scales, enhanced cooling and entanglement

A small quantum absorption refrigerator, consisting of three qubits, is discussed in the transient regime. We discuss time scales for coherent dynamics, damping, and approach to the steady state, and we study cooling and entanglement. We observe that cooling can be enhanced in the transient regime, in the sense that lower temperatures can be achieved compared to the steady-state regime. This is a consequence of coherent dynamics, but can occur even when this dynamics is strongly damped by the dissipative thermal environment, and we note that precise control over couplings or timing is not needed to achieve enhanced cooling. We also show that the amount of entanglement present in the refrigerator can be much larger in the transient regime compared to the steady-state. These results are of relevance to future implementations of quantum thermal machines.Comment: 8 pages, 5 figure

Bell scenarios with communication

Classical and quantum physics provide fundamentally different predictions about experiments with separate observers that do not communicate, a phenomenon known as quantum nonlocality. This insight is a key element of our present understanding of quantum physics, and also enables a number of information processing protocols with security beyond what is classically attainable. Relaxing the pivotal assumption of no communication leads to new insights into the nature quantum correlations, and may enable new applications where security can be established under less strict assumptions. Here, we study such relaxations where different forms of communication are allowed. We consider communication of inputs, outputs, and of a message between the parties. Using several measures, we study how much communication is required for classical models to reproduce quantum or general no-signalling correlations, as well as how quantum models can be augmented with classical communication to reproduce no-signalling correlations.Comment: 12 pages, 3 figures. Includes a more detailed explanation of results appearing in the appendix of arXiv:1411.4648 [quant-ph

Device-Independent Tests of Entropy

We show that the entropy of a message can be tested in a device-independent way. Specifically, we consider a prepare-and-measure scenario with classical or quantum communication, and develop two different methods for placing lower bounds on the communication entropy, given observable data. The first method is based on the framework of causal inference networks. The second technique, based on convex optimization, shows that quantum communication provides an advantage over classical, in the sense of requiring a lower entropy to reproduce given data. These ideas may serve as a basis for novel applications in device-independent quantum information processing

Testing nonlocality of a single photon without a shared reference frame

The question of testing the nonlocality of a single photon has raised much debate over the last years. The controversy is intimately related to the issue of providing a common reference frame for the observers to perform their local measurements. Here we address this point by presenting a simple scheme for demonstrating the nonlocality of a single photon which does not require a shared reference frame. Specifically, Bell inequality violation can be obtained with certainty with unaligned devices, even if the relative frame fluctuates between each experimental run of the Bell test. Our scheme appears feasible with current technology, and may simplify the realization of quantum communication protocols based on single-photon entanglement.Comment: 5 pages, 3 figure

The Role of Urban Living Labs in Fostering Sustainable Cities - Insights from Sweden

Cities face growing pressures from increasing populations, giving rise to environmental and social problems. The transition towards more sustainable urban areas has thus become an urgent matter, demanding innovative solutions and means to test and deploy them. Urban Living Labs (ULLs) have emerged as a new approach to experimentation in real-life city settings. This thesis seeks to examine how ULLs can contribute to sustainability transitions by examining their goals, visions, operations, and evaluation. The contribution of ULL to sustainability transitions is assessed via mapping ULLs in Sweden and analysing four in-depth ULL case studies (i.e. UbiGo, Hållbarheten, Shape Your World, and Fabriken) through the lens of Transition Management. This study finds that the goals and visions of ULLs vary greatly, and that their contributions to sustainability can be either direct or indirect, both playing an important role in transitions. Furthermore, the ways in which the ULL evaluation is performed as well as what aspects are evaluated differs between the ULLs. A higher number of actors involved in ULLs can catalyse sustainability transitions due to a broader spread of knowledge reaching further into several domains of society. In addition, this study reflects on the importance of user involvement and their ability to impact ULL operations, how ULLs fit into the Transition Management Cycle,and how requirements set by funding bodies might affect the learning produced in ULLs.Hållbarhetslabb – ett konkret sätt att skapa hållbara städer Städer står inför många utmaningar. Redan idag koncentrerar städer utsläppsintensiva aktiviteter såsom transporter, boende och konsumtion och lider också av negativa effekter av utsläppen i form av ett förändrat klimat med bland annat värmeböljor eller översvämningar. Sociala problem som till exempel segregation är inte heller ovanligt i städer. Utmaningarna väntas bli större i takt med att fler människor runt om i världen flyttar till städer vilket sätter ännu större tyck på de försörjningssystem som finns. För att kunna möta dess utmaningar behöver nya lösningar för att minska utsläpp och skapa hållbarhet utvecklas och implementeras i städer. En metod för att utveckla och testa sådana lösningar är så kallade Urban living labs (ULLs). Städer är perfekta testplatser för nya hållbarhetslösningar eftersom lösningar som ska implementeras i städer kan anpassas till de förutsättningar som är speciella för städer om de testas där. Det är essensen av ULLs – i ULLs testas lösningar i riktig stadsmiljö med riktiga samhällsaktörer involverade för att kunna anpassa det som testas till de faktiska förutsättningarna i stadsmiljö. Vanliga personer som bor i städerna är också relativt involverade i labben och ger feedback eller är direkt involverade i utvecklingen av lösningen som testas. Frågan är dock på vilket sätt ULLs bidrar till mer hållbara städer? Potential finns i och med att labben riktar in sig direkt på problem som förekommer i städer och anpassar lösningarna efter förutsättningarna. Intresset och investeringar i ULLs har på senare tid också ökat men hur ULLs bidrar till hållbarhet är ännu oklart. I den här studien undersöks just hur ULLs kan bidra till en utveckling mot mer hållbara städer. Svenska ULLs kartlades och fyra studerades sedan djupare för att förstå deras bidrag till hållbarhet. De fyra labben som undersöktes var UbiGo, ett labb som testade en mobilapplikation som skulle underlätta resande inom städer med andra färdmedel än den egna bilen, Hållbarheten, ett testhus där lösningar för ett framtida energisnålt och hållbart boende undersöks, Formge din värld, ett labb som testade metoder för att involvera invånare i stadsplaneringen samtidigt som projektet bidrog till att invånarna lärde sig mer om hållbarhet genom ett stadsodlingsprojekt, och Fabriken, ett labb i form av en öppen verkstad där fokus låg på DIY och återskapande. Labbens mål och visioner, hur labbaktiviteterna bidrog till att målen uppfylldes, samt hur labben utvärderades undersöktes i studien. Studien visar ULLs bidrar till hållbarhet på många olika sätt - vissa på ett direkt och tydlig sätt och andra mer indirekt. En del ULLs fokuserar på att hitta direkta och ofta tekniska lösningar för att minska utsläppen i städer (t.ex. UbiGo och Hållbarheten) medan andra fokusera på styrning av städer och att hitta nya metoder för att involvera invånarna i stadsplaneringsprocesser (t.ex. Formge din värld) vilket på sikt skulle kunna bidra till hållbarhet. Vissa labb har inte tydliga mål om att bidra till hållbarhet men kan ändå påverka beteende och inspirera till hållbara livsstilar som förbrukar mindre resurser och på så sätt skapar hållbarhet på ett mer indirekt sätt (t.ex. Fabriken). Det är vanligt att många samhällsaktörer är involverade i ULLs vilket ses som en fördel eftersom flera aktörer från olika delar av samhället då tar del av lärdomarna från labben och kan använda dessa i annat arbete. En nackdel är dock att ULLs i många fall är tidsbegränsade projekt. Det innebär att labben kan ha svårt att etablera sig och blir ett permanent inslag i städer vilket kan minska genomslagskraften hos de lösningar som testas i labben. Vanligtvis är det universitet eller andra forskningsinstitut som leder utvärderingarna av labben och vilka aspekter av labben som studeras varierar stort från fall till fall. Finansiärer av labben ställer vissa krav på vilka aspekter av labben de vill ska utvärderas och att undersöka dessa krav närmare hade kunna ge en bättre bild av hur de påverkar vilka lärdomar labben bidrar med

Fundamental limits on low-temperature quantum thermometry with finite resolution

While the ability to measure low temperatures accurately in quantum systems is important in a wide range of experiments, the possibilities and the fundamental limits of quantum thermometry are not yet fully understood theoretically. Here we develop a general approach to low-temperature quantum thermometry, taking into account restrictions arising not only from the sample but also from the measurement process. We derive a fundamental bound on the minimal uncertainty for any temperature measurement that has a finite resolution. A similar bound can be obtained from the third law of thermodynamics. Moreover, we identify a mechanism enabling sub-exponential scaling, even in the regime of finite resolution. We illustrate this effect in the case of thermometry on a fermionic tight-binding chain with access to only two lattice sites, where we find a quadratic divergence of the uncertainty. We also give illustrative examples of ideal quantum gases and a square-lattice Ising model, highlighting the role of phase transitions.Comment: Published version. Main text: 12 pages, 5 figures; see also related work by K. Hovhannisyan and L. A. Correa at arXiv:1712.0308

Hybrid Quantum Repeater Protocol With Fast Local Processing

We propose a hybrid quantum repeater protocol combining the advantages of continuous and discrete variables. The repeater is based on the previous work of Brask et al. [Phys. Rev. Lett. 105, 160501 (2010)] but we present two ways of improving this protocol. In the previous protocol entangled single-photon states are produced and grown into superpositions of coherent states, known as two-mode cat states. The entanglement is then distributed using homodyne detection. To improve the protocol, we replace the time-consuming non-local growth of cat states with local growth of single-mode cat states, eliminating the need for classical communication during growth. Entanglement is generated in subsequent connection processes. Furthermore the growth procedure is optimized. We review the main elements of the original protocol and present the two modifications. Finally the two protocols are compared and the modified protocol is shown to perform significantly better than the original protocol.Comment: 14 pages, 7 figure