Énergétique de la mesure quantique

Energetics of quantum measurements

• Auteur / Autrice : Léa Bresque
• Direction : Alexia Auffèves-Garnier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique théorique
• Date : Soutenance le 20/10/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel (Grenoble, Isère, France ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Julia Meyer
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Benjamin Huard, Michèle Campisi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : David Guéry-Odelin, Janine Splettstößer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Énergie

Thermodynamique

Théorie quantique

Mots clés libres

Quantique

Thermodynamique

Mesure

Energie

Moteur quantique

Information

Quantum

Thermodynamics

Measurement

Energy

Quantum engine

Information

Résumé

En mesurant l’état d’un objet quantique, il est possible de modifier son état. Cet effet est dû à son interaction avec l’appareil de mesure. Lorsque l’observable mesuré et l’Hamiltonien du système ne commutent pas, l’énergie moyenne du système mesuré peut être modifiée. Ce changement d’énergie parfois appelé « chaleur quantique » peut être utilisé comme ressource pour alimenter de nouveaux types de machines quantiques : les moteurs quantiques à mesure. Nous proposons un tel moteur en exploitant la non-commutativité de certaines mesures locales et globales dans un système à deux parties.Ce type de plateforme est idéal pour comprendre l’origine de la chaleur quantique. Bien que l’évolution temporelle de l’état d’un système mesuré ne soit pas aujourd’hui connue à cause du phénomène de réduction du paquet d’onde, les aspects énergétiques restent accessibles en modélisant la pré-mesure. Durant cette étape, des corrélations sont créées entre système et appareil de mesure. Idéalement, à la fin de ce processus, l’état réduit du système correspondra à la moyenne des états projetés prévus par le postulat de la mesure. Je montre alors que l’énergie reçue par le système correspond à celle nécessaire pour allumer et éteindre l’interaction entre le système et l’appareil de mesure. En utilisant une définition généralisée du travail et de la chaleur, cet échange est interprété comme une conversion de travail en chaleur.En remontant encore la source de cette énergie, nous proposons une version autonome de ce mécanisme. Pour cela, le système choisi est un qubit se déplaçant à travers une cavité dont le champ constitue l’appareil de mesure. L’interaction entre eux étant dépendante de leur position relative, l’énergie cinétique apporte l’énergie nécessaire à faire interagir ces deux systèmes. En modélisant cette évolution de manière purement quantique, nous caractérisons l’impact de l’extension spatiale finie du paquet d’onde sur la nature de ces échanges d’énergie.Du point de vue opposé, nous comparons le cout énergétique de la mesure d’un qubit en fonction de l’état initial du champ utilisé pour le mesurer. Dans le cas d’un circuit d’électrodynamique quantique, nous trouvons que les états cohérents et thermiques permettent une même qualité de mesure à énergie fixée.Les résultats présentés et décrits dans cette thèse contribuent à améliorer notre compréhension profonde des effets et mécanismes surprenants induits par la mesure quantique. En particulier, ils permettent de mieux comprendre le fonctionnement des moteurs quantiques à mesure et d’identifier précisément la ressource et le coût que constitue la mesure en physique quantique.

Quantum measurements are known to affect the state of the measured system. Such a measurement backaction is due to the interaction of the quantum system with the measuring device. When the measured observable and the system's Hamiltonian do not commute, the backaction can lead to a mean energy change of the system. This energy change has been dubbed ''quantum heat'' and, in association with feedback processes and/or the interaction with thermal bath(s), proves to be a genuinely quantum resource to fuel new kinds quantum engines. We propose such a measurement powered engine exploiting the non-commutativity of local and non-local operations on a bipartite quantum system.We then investigate the origin of the quantum heat. Even if one cannot model the full dynamics of a measurement due to the collapse of the wavefunction, the energetic aspects can still be investigated by modeling the so-called pre-measurement. During this step, the system interacts and gets correlated with a quantum system which can be viewed as a small part of the measuring apparatus and called the quantum meter. Ideally, at the end of this process, the system's reduced state will be fully decohered in the measurement basis, thus corresponding to the averaged collapsed output states given by the measurement postulate. We find that the quantum heat received by the measured system corresponds to the energy necessary to turn off the coupling between the meter and the system. Using generalized definitions of heat and work, we moreover characterize the work and heat nature of these energy exchanges.Tracing the source of this energy one step further, we propose an autonomous description of a measurement. This is done by considering a flying qubit measured by the quantum field of the cavity it crosses. The interaction being position dependent, the kinetic degree of freedom is providing the required energy to switch on and off the interaction between the qubit and the meter field. A full quantum treatment allows us to evaluate the impact of the finite spatial and momentum extension of the qubit wavepacket. Since the kinetic degree of freedom can be affected by the interaction, it does not simply generate a time dependent Hamiltonian for the other degrees of freedom. We find the correction to this ideal dynamic and analyse its consequences on the nature of the energy fluxes. %spread/extension/broadnessTaking the opposite point of view, we compare the measurement cost of a qubit by a field propagating in a waveguide, depending on the initial state of the field. In the context of a circuit quantum electrodynamics setup, we find that thermal and coherent fields induce the same backaction on the qubit given the same energy constraints.The results presented and discussed in this thesis contribute to unravel the mysterious effects and mechanisms due to quantum measurements. Notably, they give an outlook to further analyse quantum measurement-based engines and to understand the energetic resource that measurements cost and constitute at the same time.