thermoDynamique en Electrodynamique Quantique en Cavité – Qu-DICE

Depuis le XIXème siècle, la thermodynamique classique a développé des outils pour exploiter le bruit thermique et en faire une ressource. Les moteurs thermiques convertissent la chaleur des bains thermiques en un travail utile et stockable, en exploitant les transformations thermodynamique de substances actives telle qu'un gaz. Réciproquement, l'irréversibilité quantifiée par la production d'entropie mesure notre manque de contrôle sur le bruit, mettant une limite fondamentale au rendement d'un moteur thermique. Finalement, l'information sur l'état de la substance active peut être exploitée pour améliorer l'extraction de travail dans les dispositifs de démons de Maxwell. L'information apparaît comme une ressource qui peut être consommée pour produire de l'énergie et inversement, dont le codage dans les mémoires physiques coûte du travail.

Récemment, la thermodynamique stochastique a étendu les concepts de chaleur, travail et de production d'entropie à de petites substances actives hors d'équilibre. Elle fournit un cadre adapté à l'étude de l'empreinte énergétique et entropique de l'information à l'échelle d'un bit unique, et pour évaluer les performances des nano-machines. Les théorèmes de fluctuation permettent notamment de dériver des bornes plus précises à l'extraction de travail et à la conversion énergie-information.

La thermodynamique quantique vise à étudier les lois de la thermodynamique si les substances actives, les batteries et les bains sont des systèmes quantiques. Ce domaine émergent aborde des problèmes à la fois fondamentaux et pratiques, ainsi: quelles sont les causes de l'irréversibilité dans le régime quantique, et comment pouvons-nous la quantifier? La cohérence quantique est-elle une ressource énergétique à même d'améliorer les performances des moteurs quantiques? Quel est le coût énergétique associé au contrôle du bruit quantique, par exemple pour effectuer une rétroaction quantique?

Qu-DICE apportera des réponses à ces questions, en profitant des plates-formes avancées de l'électrodynamique quantique en cavité. Nous aborderons expérimentalement et théoriquement les trois objectifs suivants:

(i) Caractériser les transferts d'énergie, d'entropie et d'information entre des systèmes quantiques simples. Nous développerons une nouvelle génération de démons de Maxwell basés sur des atomes de Rydberg et des cavités supraconductrices. Nous mesurerons des théorèmes de fluctuation généralisés, permettant de mesurer les empreintes énergétiques et entropiques des corrélations classiques et quantiques.

(ii) Démontrer l'extraction de travail à partir de la cohérence quantique en concevant et en réalisant un nouveau type de moteur quantique à l'état solide. Le moteur consistera en une boîte quantique couplée à une cavité optique, extrayant le travail d'un bain hors d'équilibre. L'extraction de travail à partir de la cohérence est encore un problème ouvert. Une démonstration expérimentale montrant des signatures quantiques claires serait une première.

(iii) Dériver les limites fondamentales reliant l'extraction du travail et l'information dans les scénarios véritablement quantiques étudiés dans Qu-DICE, permettant d'élaborer les figures de mérite pertinentes pour nos moteurs. Ultimement, cette étude fournira des outils nouveaux pour évaluer le coût énergétique d'une boucle de rétroaction élémentaire.

En mesurant les empreintes énergétiques et entropiques de la cohérence quantique et de l'intrication dans les expériences fondamentales, Qu-DICE apportera une démonstration frappante de l'importance de la thermodynamique quantique pour les technologies quantiques. Il ouvrira la voie à une énergétique du contrôle et du traitement de l'information quantiques. Dans la quête actuelle de mise à l'échelle les processeurs quantiques, le développement de tels outils est appelé à devenir stratégique pour évaluer les futures architectures de calcul quantique.