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Accueil > Recherche > Équipe Physique théorique & Astrophysique > Systèmes quantiques ouverts > Contrôle quantique, diagnostic optique et thermodynamique

Reservoir engineering & thermodynamique quantique

Les méthodes de "reservoir engineering" ont pour but de contrôler un système quantique en exploitant sa dynamique dissipative en modifiant les paramètres caractérisant l’environnement et son interaction avec le système. Le bruit ambiant est donc transformé en ressource, comme dans le cas où l’environnement est porté hors équilibre thermique.

L’exploitation de configurations hors équilibre thermique pour la manipulation de systèmes atomiques s’inscrit dans la thématique très actuelle de la thermodynamique quantique. Dans ce contexte nous avons étudié la dynamique et la thermalisation d’un système quantique atomique placé dans un environnement qui se trouve dans une configuration stationnaire hors équilibre thermique. La configuration étudiée consiste en un système atomique fixé près d’un corps de géométrie et de permittivité diélectrique arbitraire ; les températures du corps et des murs entourant les atomes et le corps, sont différentes et sont maintenues constantes.

Les taux de transition et les états stationnaires se révèlent quantitativement et qualitativement différents du cas à l’équilibre thermique. En particulier, l’état stationnaire devient dépendant de tous les paramètres du système, comme l’interaction entre les résonances du corps et les fréquences atomiques, la géométrie du corps, la position des atomes et les deux températures en jeu. Dans le cas d’un seul atome à trois niveaux, nous avons mis en évidence comment on peut exploiter cette richesse émergente hors équilibre pour réaliser notamment l’inversion de l’ordre des populations stationnaires ainsi qu’un mécanisme de refroidissement de la température interne atomique.

Dans le cas de deux ou plusieurs atomes à deux niveaux, nous avons montré la possibilité de générer des états stationnaires intriqués robustes au bruit ambiant, contrairement à ce qui se passe à l’équilibre thermique. Cette production d’intrication stationnaire, ici réalisée dans une grande zone de paramètres, exploite la dynamique dissipative hors équilibre. Cela peut résulter important pour l’information quantique où il est fondamental de réaliser des protocoles robustes au bruit ambiant.

Nous avons ensuite étudié la même configuration dans le cas d’un ensemble atomique contenant plus que deux atomes, considérés tous à la même distance d’une couche diélectrique. Cela nous a permis d’étudier la dynamique de corrélations quantiques entre plusieurs corps en mettant en évidence une forte dépendance de l’intrication stationnaire par la disposition géométrique des qubits, dépendance qui peut être exploitée pour manipuler les corrélations atomiques. En disposant les qubits sur les sommets de polygones réguliers nous obtenons le maximum d’intrication, qui résulte être très sensible si on déplace un des qubits, en détruisant la symétrie permutationnelle.

Ce type de configurations hors équilibre thermique a été aussi utilisé pour désigner une machine thermique capable d’accomplir des tâches thermodynamiques comme le refroidissement ou le réchauffement d’atomes à deux niveaux. Les différents tâches thermodynamiques sont obtenues grâce à la présence de corrélations quantiques stationnaires entre la machine thermique (atome à trois niveaux M) el l’objet B (qubit), en confirment que cet effet à une nature quantique.

Ces prédictions théoriques mettent en lumière de nouvelles possibilités pour manipuler la dynamique d’un système atomique, qui émergent hors équilibre thermique. Elles peuvent être importantes pour une grande classe de configurations expérimentales en l’absence d’équilibre thermique, en présence de systèmes atomiques réels ou artificiels.


Contacts : Bruno Bellomo