Dynamique quantique collective d’ensembles moléculaires couplés à une cavité

Collective quantum dynamics of molecular ensembles coupled to a Cavity

• Auteur / Autrice : David Wellnitz
• Direction : Guido Pupillo, Johannes Schachenmayer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 11/02/2022
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des Sciences chimiques (Strasbourg ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de science et d’ingénierie supramoléculaires (Strasbourg)
• Jury : Président / Présidente : Claudiu Genes
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Claudiu Genes, Silke Ospelkaus

Mots clés

Mots clés contrôlés

Intrication quantique

Électrodynamique quantique

Mots clés libres

QED en cavité

Dynamique quantique à N corps

Chimie polaritonique

Molécules ultra-froides

Réseaux de tenseurs

Systèmes quantiques ouverts

Intrication

Cavity QED

Many-body quantum dynamics

Polaritonic chemistry

Ultra-cold molecules

Matrix product states

Open quantum systems

Entanglement

Résumé

L’objectif central de cette thèse est de développer une compréhension théorique plus approfondie de la dynamique quantique collective et dissipative d’ensembles moléculaires couplés à des cavités en trois parties : Dans la première partie, nous utilisons une cavité pour améliorer l’efficacité de formation de molécules ultra-froides dans leur état fondamental en exploitant la dissipation et les effets collectifs, et nous simulons efficacement la dynamique de jusqu’à 106 molécules. Dans la deuxième partie, l’analyse est étendue à la température ambiante. Les régimes de dynamique de réaction modifiée sont identifiés dans le cas d’une réaction simple de transfert d’électrons photo-induite. En plus, nous démontrons que l’intrication entre les différents degrés de liberté peut être significativement augmentée en introduisant du désordre dans le système avec des simulations de réseaux de tenseurs. Dans la troisième partie, nous démontrons que le déphasage conduit à une croissance logarithmique de l’intrication des opérateurs dans une chaîne de spin ouverte.

This thesis aims to develop a deeper theoretical understanding of the collective, dissipative quantum dynamics of cavity-coupled molecular ensembles in three parts: First, a cavity is used in a novel scheme for dissipative formation of ultra-cold ground state molecules with collectively enhanced efficiency, which can be efficiently simulated for very large (> 106 molecules) ensembles. Secondly, the analysis is extended to room-temperature polaritonic chemistry. Here, regimes for modified reaction dynamics are identified for a simple photo-induced electron transfer reaction under incoherent pumping. Then, it is shown that entanglement between vibrational and electro-photonic degrees of freedom can be significantly enhanced by introducing disorder into the system using matrix product state simulations. For the disorder-less regime, further efficient approximations methods are developed. Thirdly, in a recent project, the build-up of operator entanglement is studied in an open spin-chain with dephasing, which is found to exhibit logarithmic growth.