Dissipation-assisted processes and quantum correlations

par Nicolò Piccione

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Pierre Joubert et de Bruno Bellomo.

Soutenue le 18-12-2020

à Bourgogne Franche-Comté , dans le cadre de École doctorale Carnot-Pasteur , en partenariat avec UTINAM - Univers, Temps-fréquence, Interfaces, Nanostructures, Atmosphère et environnement, Molécules (laboratoire) , Université de Franche-Comté (Etablissement de préparation) et de Univers- Transport- Interfaces- Nanostructures- Atmosphère et environnement- Molécules (UMR 6213) / UTINAM (laboratoire) .

Le président du jury était Pérola Milman.

Le jury était composé de Pierre Joubert, Bruno Bellomo, Pérola Milman, Alexia Auffèves-Garnier, Daniel Braun, Benjamin Huard.

Les rapporteurs étaient Alexia Auffèves-Garnier, Daniel Braun.

  • Titre traduit

    Processus assistés par dissipation et corrélations quantiques


  • Résumé

    La dynamique dissipative des systèmes quantiques ouverts et les corrélations quantiques sont des sujets de grand intérêt actuel. Le premier en raison de sa nécessité pour décrire des systèmes réalistes et le second parce que les corrélations quantiques permettent de réaliser, en général, des protocoles véritablement quantiques. Cette thèse vise à étudier des processus physiques reposant sur la dissipation, en se concentrant également sur les corrélations quantiques et leur rôle dans ces processus, et sur la façon d'utiliser la dissipation pour générer des corrélations quantiques. Tout d'abord, nous présentons au lecteur les différents sujets abordés dans la thèse qui sont liés à divers domaines de recherche tels que les systèmes quantiques ouverts, la thermodynamique quantique, l'optique quantique et l'information quantique. Ensuite, chaque chapitre traite d'un sujet différent. Une première partie de la thèse inclut deux études dans le domaine de la thermodynamique quantique. Une première étude concerne un protocole d'extraction de travail exploitant un seul bain thermique. Le travail, défini dans la théorie des ressources thermodynamiques, est extrait d'une ressource et stocké dans un système bipartite en activant et en désactivant son interaction interne. Ensuite, nous appliquons ce protocole à deux systèmes physiques pertinents : deux qubits en interaction et le modèle de Rabi. Dans les deux cas, nous obtenons une extraction de travail comparable aux énergies nues des systèmes. Dans une seconde étude, nous analysons des machines thermiques quantiques basées sur des cycles thermodynamiques à deux temps utilisant deux bains à des températures différentes. Le fluide de travail est composé de systèmes avec des niveaux d'énergie régulièrement espacés et toutes les interactions considérées sont de type d'échange. Nous maximisons la puissance de deux cycles différents, en nous concentrant également sur le rôle du temps d'attente des machines. Dans une seconde partie de cette thèse, fortement liée aux systèmes quantiques ouverts, nous étudions d'abord la dynamique Markovienne et non-Markovienne d'un oscillateur harmonique quantique guidé au sein du modèle collisionnel. Même si ce projet de recherche est "en cours", nous avons déjà des résultats prometteurs tels que l'apparition d'un terme non adiabatique dans la limite continue de la dynamique Markovienne. Ensuite, nous étudions le modèle de Dicke à deux photons dans la limite de mauvaise cavité, en considérant un modèle assez général comprenant des bains de température finis et des pilotages cohérents et incohérents. Nous parvenons à dériver une équation maîtresse efficace pour la dynamique des qubits et à la comparer au cas à un photon. Dans le modèle à deux photons, nous observons une augmentation du taux d'émission de type spontané des qubits et une augmentation de la température effective perçue par les qubits. Ces différences conduisent à une génération plus rapide d’états stationnaires avec cohérence et à une dépendance plus riche des effets collectifs sur la température. Dans la dernière partie de la thèse, nous explorons la connexion entre l'énergie et l'intrication quantique dans un système bipartite fini arbitraire sans interaction, trouvant également les états intriqués d'énergie minimale (MEESs), c'est-à-dire les états ayant la quantité d'énergie minimale pour un degré donné d’intrication quantique. Nous étudions également comment ces états peuvent être générés à la fois par des processus unitaires et dissipatifs, trouvant, pour ces derniers, que les MEESs sont pratiquement les plus économiques à produire. De plus, les MEESs peuvent être connectés entre eux au moyen d'opérations locales et de communication classique et semblent avoir des connexions remarquables avec la thermodynamique quantique et la physique à plusieurs corps. Enfin, nous analysons comment utiliser nos résultats pour réduire le coût énergétique de différents protocoles d'information quantique.


  • Résumé

    Dissipative dynamics of open quantum systems and quantum correlations are topics of great actual interest. The former because of its necessity when describing realistic systems and the latter because quantum correlations enable, in general, genuine quantum protocols.This thesis aims to study physical processes relying on dissipation, also focusing on quantum correlations and their role in these processes, and on how to use dissipation to generate quantum correlations. We first introduce the reader to the various topics treated within the thesis which are connected to various research fields such as open quantum systems, quantum thermodynamics, quantum optics, and quantum information. Then, each chapter deals with a different subject.The first part of the thesis consists of two studies in the context of quantum thermodynamics. The first study concerns a protocol of work extraction exploiting a single thermal bath. The work, defined within thermodynamic resource theory, is extracted from a resource and stored into a bipartite system by turning on and off its internal interaction. Then, we apply this protocol to two relevant physical systems: two interacting qubits and the Rabi model. In both cases, we obtain a work extraction comparable with the bare energies of the systems. In the second study, we investigate quantum thermal machines based on two-stroke thermodynamic cycles using two baths at different temperatures. The working fluid is composed of systems with evenly spaced energy levels, and all the considered interactions are of the exchange type. We maximize the power of two different cycles, also focusing on the role of the machines waiting time.In the second part of this thesis, strongly connected to open quantum systems, we first study the Markovian and non-Markovian dynamics of a driven quantum harmonic oscillator within the collision model. While this is still a "work in progress" research project, we already have promising results such as the appearance of a non-adiabatic time-dependent term in the continuous limit of the Markovian dynamics. Then, we study the two-photon Dicke model in the bad-cavity limit, considering a quite general setup comprising finite temperature baths and coherent and incoherent drivings. We manage to derive an effective master equation for the qubits dynamics and compare it to the one-photon case. In the two-photon model, we point out an enhancement of the qubits spontaneous-like emission rate and an increment of the effective temperature perceived by the qubits. These differences lead to a faster generation of steady states with coherence and a richer dependence of the collective effects on temperature.In the last part of the thesis, we explore the connection between energy and entanglement in an arbitrary finite non-interacting bipartite system, also finding the minimum energy entangled states (MEESs), i.e., the states having the minimum energy amount for a given degree of entanglement. We also study how these states can be generated both through unitary and dissipative processes, finding for the latter that the MEESs are practically the cheapest ones to produce. Moreover, the MEESs can be connected among them through local operations and classical communication and seem to have remarkable connections to quantum thermodynamics and many-body physics. Finally, we analyze how to use our results to lower the energetic cost of different quantum information protocols.


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Informations

  • Sous le titre : Dissipation-assisted processes and quantum correlations
  • Détails : 1 vol. (200p.)
  • Annexes : Bibliographie p.183-200.
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