Thermodynamique quantique et optomécanique

par Juliette Monsel

Thèse de doctorat en Physique théorique

Sous la direction de Alexia Auffeves-Garnier.

Soutenue le 21-10-2019

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 Anna Minguzzi.

Le jury était composé de Nikolai Kiesel, Olivier Arcizet.

Les rapporteurs étaient Juan MR Parrondo, Sergio Ciliberto.


  • Résumé

    La thermodynamique a été développée au XIXème siècle pour étudier les machines à vapeur exploitant les transformations cycliques d'un fluide calorifique pour extraire de la chaleur de bains thermiques et la convertir en travail, éventuellement stocké dans une batterie. Cette discipline appliquée a finalement permis d'élaborer des concepts fondamentaux tels que l'irréversibilité. La thermodynamique quantique vise à revisiter ces résultats lorsque les fluides calorifiques, bains et batteries deviennent des systèmes quantiques. Ses résultats sont encore essentiellement théoriques.Cette thèse propose donc des méthodes de mesure in situ du travail, directement dans la batterie, et démontre le potentiel de deux plateformes pour ouvrir la voie à l'exploration expérimentale de ce domaine en plein essor.J'ai tout d'abord étudié les systèmes hybrides optomécaniques qui se composent d'un qubit couplé au champ électromagnétique d'une part, et à un résonateur mécanique d'autre part. La fréquence de transition du qubit est modulée par les vibrations du système mécanique, qui exerce ainsi une force sur le système. Le degré de liberté mécanique échange du travail avec le qubit et se comportant donc comme une batterie dispersive, c'est-à-dire dont la fréquence propre est très différente de celle de la transition du qubit. Enfin, le champ électromagnétique joue le rôle du bain. J'ai d'abord montré que les fluctuations d'énergie mécanique de la batterie sont égales aux fluctuations du travail, ce qui permet de mesurer directement l'entropie produite. En conséquence, les systèmes hybrides optomécaniques sont prometteurs pour tester expérimentalement les théorèmes de fluctuations dans un système quantique ouvert. Par ailleurs, j'ai étudié la conversion d'énergie optomécanique. J'ai montré qu'un système hybride optomécanique peut être considéré comme une machine thermique autonome et réversible permettant aussi bien de refroidir le résonateur mécanique que de construire un état cohérent de phonons en partant du bruit thermique.Par ailleurs, j'ai montré qu'il est possible de réaliser un moteur quantique à deux temps extrayant du travail d'un bain unique, non thermique. Le qubit se trouve dans un guide d'ondes unidimensionnel et la batterie est le mode du guide de même fréquence que la transition du qubit. Il s'agit donc d'une batterie résonante, contrairement au cas précédent. Premièrement, le qubit est couplé au bain ingéniéré, source d'énergie et de cohérence, qui le fait relaxer dans une superposition expérimentalement contrôlable d'états d'énergie. Deuxièmement, le bain est déconnecté et du travail est extrait en couplant qubit à un champ cohérent résonant. Ce type de système, appelé atome unidimensionnel, peut être réalisé avec des circuits supraconducteurs ou semi-conducteurs. La cohérence de l'état du qubit améliore les performances de ce moteur à la fois dans le régime classique, où un grand nombre de photons est injecté dans la batterie, et dans le régime quantique des petits nombres de photons.Cette thèse met en évidence le potentiel des systèmes hybrides optomécaniques et des atomes unidimensionnels pour explorer expérimentalement d'une part, l'irréversibilité et les théorèmes de fluctuations dans les systèmes quantiques ouverts, et d'autre part, le rôle de la cohérence dans l'extraction de travail.

  • Titre traduit

    Quantum thermodynamics and optomechanics


  • Résumé

    Thermodynamics was developed in the 19th century to study steam engines using the cyclical transformations of a working substance to extract heat from thermal baths and convert it into work, possibly stored in a battery. This applied science eventually led to the development of fundamental concepts such as irreversibility. Quantum thermodynamics aims at revisiting these results when the working substances, baths and batteries become quantum systems. Its results are still mainly theoretical. This thesis therefore propose methods to measure work in situ, directly inside the battery, and demonstrate the potential of two platforms to pave the way to the experimental exploration of this fast-growing field.First, I studied hybrid optomechanical systems which consist of a qubit coupled to the electromagnetic field on the one hand, and to a mechanical resonator on the other hand. The qubit's transition frequency is modulated by the vibrations of the mechanical system that exerts in this way a force on the qubit. The mechanical degree of freedom exchanges work with the qubit and therefore behaves like a dispersive battery, i.e. whose natural frequency is very different from the one of the qubit's transition. Finally, the electromagnetic field plays the role of the bath. I showed that the fluctuations of the mechanical energy are equal to the fluctuations of work, which allows the direct measurement of entropy production. As a result, hybrid optomechanical systems are promising for experimentally testing fluctuation theorems in open quantum systems. In addition, I studied optomechanical energy conversion. I showed that a hybrid optomechanical system can be considered as an autonomous and reversible thermal machine allowing either to cool the mechanical resonator or to build a coherent phonon state starting from thermal noise.Secondly, I showed that a two-stroke quantum engine extracting work from a single, non-thermal, bath can be made. The qubit is embedded in a one-dimensional waveguide and the battery is the waveguide mode of same frequency as the qubit's transition. Therefore, this is a resonant battery, unlike in the previous case. First, the qubit is coupled to the engineered bath, source of energy and coherence, that makes it relax in a experimentally controllable superposition of energy states. Secondly, the bath is disconnected and work is extracted by driving the qubit with a resonant coherent field. This kind of system, called one-dimensional atom, can be implemented in superconducting or semiconducting circuits. The coherence of the qubit's state improves the performances of this engine both in the regime of classical drive, where a large number of photons is injected in the battery, and in the quantum drive regime of low photon numbers.This thesis evidences the potential of hybrid optomechanical systems and one-dimensional atoms to explore experimentally on the one hand, irreversibility and fluctuation theorems, and on the other hand, the role of coherence in work extraction.


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