Thermodynamique stochastique : pilotage de micro-oscillateurs et application à l'étude et l'optimisation du traitement de l’information

Stochastic thermodynamics : driving of micro-oscillators applied to the study and the optimisation of information processing

• Auteur / Autrice : Salambô Dago
• Direction : Ludovic Bellon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 09/06/2022
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (Lyon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure de Lyon (Lyon ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique (Lyon ; 1988-....)
• Jury : Président / Présidente : Alexia Auffèves-Garnier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ludovic Bellon, Alexia Auffèves-Garnier, John Bechhoefer, Jukka Pekola, Christopher Jarzynski
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : John Bechhoefer, Jukka Pekola

Mots clés

Mots clés contrôlés

Information, Théorie de l'

Physique statistique

Mots clés libres

Physique statistique

Thermodynamique stochastique

Théorie de l’information

Landauer

Contrôle

Statistical physics

Stochastique thermodynamics

Information processing

Landauer

Feedback control

Résumé

Cette thèse approfondit par des études expérimentales et théoriques les connaissances sur la dynamique de systèmes soumis au bruit thermique, afin de pouvoir mieux les manipuler et notamment les utiliser comme porte logique à 1-bit. Ces travaux relèvent de la physique statistique hors équilibre, et de la thermodynamique stochastique appliquée à la théorie de l’information. Nous étudions ainsi l’énergie minimale qu'un opérateur doit fournir pour manipuler 1 bit d’information de manière irréversible (effacement ou écriture), ou réversible (opération non), et cherchons à optimiser le coût et la durée de ces opérations. Notre stratégie pour gagner en efficacité et en rapidité est d’utiliser comme mémoire un micro levier à faible dissipation, évoluant à des échelles de temps bien plus rapides que les systèmes modèles sur-amortis (colloïdes en solution) utilisés jusqu'ici. La conception d’une rétroaction pour créer un potentiel d'énergie virtuel dans lequel évolue le micro-oscillateur constitue une avancée expérimentale majeure, permettant de coder et manipuler le bit d’information: il s’agit de la porte logique classique la plus économe et la plus rapide démontrée à ce jour. Nous déployons par ailleurs une base théorique solide, validée par les résultats d’expériences et de simulations numériques, pour modéliser les échanges énergétiques. Ces travaux dans leur ensemble permettent de prédire théoriquement le coût de toute opération logique, et ouvrent de nombreuses perspectives d’optimisation du traitement de l’information en terme de fiabilité, rapidité et coût énergétique.

This thesis extends by theoretical and experimental studies our understanding of the dynamics of systems ruled by thermal fluctuations, in order to better control them and in particular use them as 1-bit logic gates. This work falls within the framework of out-of-equilibrium statistical physics, and of thermodynamics of information based on stochastic thermodynamics. In that respect, we study the minimal work required to perform irreversible operations on 1-bit of information ([RESET] to 0 or 1), or reversible ones ([NOT] operation), and we aim to optimise the energetic cost and the speed of these processes. Our strategy to enhance the processing efficiency and speed consists in using as 1-bit memory a low dissipation micro-mechanical oscillator, there- fore evolving at much smaller time-scales than the over-damped test systems (colloidal particles in solution) used to date. The feedback control designed to create a virtual energy potential in which evolves the micro-resonator is a major step forward in coding and handling the 1-bit information: it represents the fastest and most energy-efficient device among those which perform logic operations at the thermal energy scale. We furthermore provide a solid theoretical basis, validated by experimental and numerical simulation results, to model energy exchanges. Taken as a whole, this work results in the theoretical prediction of the energetic cost of any logical operation and opens perspectives for information processing optimisation in term of reliability, speed and energy saving.