Thermodynamics of quantum open systems : applications in quantum optics and optomechanics

par Cyril Elouard

Thèse de doctorat en Physique théorique

Sous la direction de Alexia Auffeves-Garnier.

Soutenue le 04-07-2017

à l'Université Grenoble Alpes (ComUE) , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Institut Néel (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Jean-Philippe Poizat.

Le jury était composé de Karl Joulain, Robert Whitney.

Les rapporteurs étaient Andrew N. Jordan, Fabio Pistolesi.

  • Titre traduit

    Thermodynamique des systèmes quantiques ouverts : applications en optique quantique et en optomécanique


  • Résumé

    La thermodynamique a été développée au XIXe siècle pour décrire la physique des moteurs et autres machines thermiques macroscopiques. Depuis lors, le progrès des nanotechnologies a rendu nécessaire d'étendre ces lois, initialement pensées pour des systèmes classiques, aux systèmes obéissant à la mécanique quantique. Durant cette thèse, j'ai mis en place un formalisme pour étudier la thermodynamique stochastique des systèmes quantiques, dans lequel la mesure quantique occupe une place centrale: à l'instar du bain thermique de la thermodynamique statistique classique, la mesure est ici la source première d'aléatoire dans la dynamique. Dans un premier temps, j'ai étudié la mesure projective comme une transformation thermodynamique à part entière. J'ai montré que la mesure cause un changement incontrôlé de l'énergie du système quantique étudié, que j'ai appelé chaleur quantique, ainsi qu'une production d'entropie. Comme application de ces concepts, j'ai proposé un moteur qui extrait du travail à partir des fluctuations quantiques induites par la mesure. Ensuite, j'ai étudié les mesures généralisées, ce qui a permis de décrire des systèmes quantiques ouverts. J'ai défini les notions de travail, de chaleur, et de production d'entropie pour une réalisation unique d'une transformation thermodynamique, et retrouvé que ces quantités obéissent à des théorèmes de fluctuation. Ce formalisme m'a permis d'analyser le comportement thermodynamique de la situation canonique de l'optique quantique : un atome à deux niveaux en couplé à un laser et au vide électromagnétique. Enfin, j'ai étudié une plate-forme prometteuse pour tester la thermodynamique d'un Qubit : un système hybride optomécanique.Le formalisme développé dans cette thèse peut être d'un grand intérêt pour la communauté de thermodynamique quantique car il permet de caractériser les performances des machines thermiques quantiques et de les comparer à leurs analogues classiques. En outre, en caractérisant la mesure quantique comme un processus thermodynamique, il ouvre la voie à de nouveaux types de machines thermiques, exploitant d'une manière inédite les spécificités du monde quantique.


  • Résumé

    Thermodynamics was developed in the XIXth century to provide a physical description to engines and other macroscopic thermal machines. Since then, progress in nanotechnologies urged to extend these formalism, initially designed for classical systems, to the quantum world. During this thesis, I have built a formalism to study the stochastic thermodynamics of quantum systems, in which quantum measurement plays a central role : like the thermal reservoir of standard stochastic thermodynamics, it is the primary source of randomness in the system's dynamics. I first studied projective measurement as a thermodynamic process. I evidenced that measurement is responsible for an uncontroled variation of the system's energy that I called quantum heat, and also a production of entropy. As a proof of concept, I proposed an engine extracting work from the measurement-induced quantum fluctuations. Then, I extended this formalism to generalized measurements, which allowed to describe open quantum systems (i.e. in contact with reservoirs). I defined work, heat and entropy production for single realizations of thermodynamic protocols, and retrieved that these quantities obey fluctuation theorems. I applied this formalism to the canonical situation of quantum optics, i.e. a Qubit coupled to a laser and a the vacuum. Finally, I studied a promising platform to test Qubit's thermodynamics: a hybrid optomechanical system.The formalism developed in this thesis could be of interest for the quantum thermodynamics community as it enables to characterize quantum heat engines and compare their performances to their classical analogs. Furthermore, as it sets quantum measurement as a thermodynamic process, it pave the ways to a new kind of thermodynamic machines, exploiting the specificities of quantum realm in an unprecedented way.


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