Au delà de la dissipation markovienne à l’échelle nanométrique : vers la découverte de règles quantiques pour la conception de nano-dispositifs bio-organiques

Beyond Markovian Dissipation at the Nanoscale : towards finding quantum design rules for bio-organic nanodevices

• Auteur / Autrice : Thibaut Lacroix
• Direction : Alex Chin, Brendon W. Lovett
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 31/03/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université en cotutelle avec University of Saint Andrews
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des nanosciences de Paris (1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Riccardo Spezia
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Natalia Korolkova
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabienne Michelini, Stephen R. Clark

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanotechnologie

Modèles tensoriels

Dissipation d'énergie

Théorie quantique

Mots clés libres

Physique Quantique

Systèmes ouverts

Réseaux de tenseurs

Non-Markovianité

Nanosciences

Quantum Physics

Open Systems

Tensor Networks

Non-Markovian

Nanosciences

Résumé

Une meilleure compréhension de la dissipation est cruciale pour décrire les systèmes quantiques de façon réaliste. En effet, tous les systèmes quantiques interagissent avec un environnement extérieur (souvent) incontrôlable qui peut conduire à une décroissance des populations d'états excités et à une perte de cohérence quantique. L'étude de la dissipation est opportune car le développement des technologies quantiques de nouvelle génération à l'échelle nanométrique est en cours, et l'existence d'effets quantiques non triviaux dans les systèmes biologiques est sérieusement étudiée. Cependant, les descriptions de la dissipation dans ces systèmes sont réduites (souvent) à des approches locales en temps et (partout) à des environnements locaux et indépendants. Ces hypothèses simplificatrices rendent les calculs analytiques et numériques possibles, mais elles font abstraction d'un grand nombre de processus physiques qui peuvent modifier radicalement la dynamique des systèmes quantiques. Dans cette thèse, en se basant sur une méthode de réseaux de tenseurs numériquement exacte, nous avons développé une technique capable de traiter les corrélations spatio-temporelles entre un système quantique et des environnements bosoniques (c.-à-d. vibrationel, électromagnétique, de magnons, etc.). Avec cette méthode, nous avons étudié le processus de signalisation - une forme de retour d'information (information backflow) - dans un système quantique, et nous avons découvert comment il peut induire une dynamique non triviale, et être utilisé pour peupler des états excités autrement inaccessibles. Nous avons également mis en évidence la capacité de la réorganisation ''non locale'' de l'environnement, induite par les interactions avec le système, à changer radicalement la nature de l'état fondamental thermodynamiquement favorisé du système. La nouvelle phénoménologie de processus physiques, résultant de la description de systèmes quantiques interagissant avec un environnement commun, a des conséquences importantes pour la conception de nano-dispositifs, car elle donne accès à de nouveaux mécanismes de contrôle, de détection et de diaphonie. Dans une autre direction, ces résultats pourraient également nous donner un nouveau cadre pour étudier et interpréter des effets (quantiques ?) dans le domaine biologique.

A better understanding of dissipation is crucial for understanding real-world quantum systems. Indeed, all quantum systems experience interactions with an (often) uncontrollable outside environment that can lead to a decay of excited state populations and a loss of quantum coherences. The study of dissipation is timely as the development of next-generation nanoscale quantum technologies is on its way, and the existence of non-trivial quantum effects in biological systems is being seriously investigated. However, descriptions of dissipation in quantum systems are reduced (most of the time) to time-local approaches and (everywhere) to space-local independent environments. These simplifying assumptions do render analytic and numerical calculations possible, yet they get rid of a breadth of physical processes that can alter radically the quantum systems' dynamics. In this thesis, building on a numerically exact tensor networks method, we developed a technique able to handle spatio-temporal correlations between a quantum system and bosonic (i.e. vibrational, electromagnetic, magnons, etc.) environments. With this method we studied the signalling process - a form of information backflow - in quantum systems, and uncovered how it can induce non-trivial dynamics, and be leveraged to populate otherwise inaccessible excited states. We also evidenced the ability of `non-local' environment reorganisation, induced by system-environment interactions, to radically change the nature of the thermodynamically favoured system ground state. The new phenomenology of physical processes, resulting from considering quantum systems interacting with a common environment, has important consequences for the design of nanodevices as it gives access to new control, sensing and cross-talk mechanisms. In another vein, these results might also give us a new framework to study and interpret (quantum?) effects in the biological realm.