Thermodynamique quantique stochastique de l'intrication et de la mesure – QSTEAM

Le grand succès de la thermodynamique a été de formaliser les limitations fondamentales imposées par la flèche du temps et la conservation de l’énergie, par exemple sur les performances de machines thermiques. Récemment, un effort de recherche considérable a cherché a établir comment les lois de la thermodynamique sont modifiées par les phénomènes spécifiques au monde quantique, tels que les superpositions cohérentes, l’intrication ou l’action en retour de la mesure quantique. Notamment, il a été démontré qu’une mesure quantique peut jouer le rôle d’une source d’énergie capable d’alimenter des moteurs sans équivalents classiques. Cependant, la caractérisation de ces ressources thermodynamiques quantiques est encore incomplète : la source et la nature thermodynamique des échanges d’énergie déclenchés par une mesure sont en général inconnues ; de même, les contraintes fondamentales imposées par la thermodynamique sur le processus de mesure quantique et sur la génération d’intrication ne sont pas encore quantifiées. Le projet QSTEAM vise à explorer ces questions fondamentales à partir de l’analyse thermodynamique de modèles physiques impliquant un système multipartite couplé à un environnement thermique.

D’un côté, ce schéma peut fournir un modèle microscopique pour un appareil de mesure idéal, composé d’une sonde, potentiellement pilotée par une force extérieure, couplée au système mesuré et à un environnement, source de décohérence. En ouvrant la boîte noire de l’appareil de mesure quantique, je quantifierai comment l’énergie reçue par le système est reliée à la chaleur et au travail échangés pendant la dynamique de la sonde. Les limitations fondamentales imposées par la flèche du temps et la conservation de l’énergie sur ces échanges d’énergie permettront de répondre à des questions telles que : est-il possible de réaliser une mesure quantique sans coût en travail, seulement avec des ressources thermiques ? Quel protocole de mesure dissipe le moins de chaleur dans l’environnement ? Quelle est l’efficacité thermodynamique d’un moteur alimenté par une mesure quantique et quel est sont lien avec l’efficacité de Carnot ?

D’un autre côté, parce que le système multipartite peut atteindre des états intriqués, ce dispositif va me permettre d’identifier des signatures de l’intrication dans les quantités thermodynamiques tel que le travail ou la chaleur. Cela permettra d’identifier des coûts fondamentaux pour générer ou manipuler de l’intrication, mais aussi d’explorer de nouvelles méthodes pour détecter la présence d’intrication, basées sur des quantités thermodynamiques.

Dans les deux contextes, j’utiliserai les outils des systèmes quantiques ouverts, de la théorie de la mesure quantique et de la thermodynamique quantique stochastique. Cette dernière approche quantifie les contraintes sur les fluctuations – souvent significatives pour les systèmes quantiques – des quantités thermodynamiques entre les réalisations uniques de transformations amenant les systèmes arbitrairement loin de l’équilibre. Je proposerai des expériences basées sur les circuits quantiques afin de tester mes prédictions théoriques.

Le point de vue thermodynamique du projet QSTEAM permettra une compréhension nouvelle de la mesure quantique et de l’intrication, et apportera des outils pour les comparer à d’autres protocoles et ressources, par exemple, sous la forme de quantités de chaleur ou de coûts en travail minimaux associés à ces phénomènes. De telles bornes fondamentales pourront se traduire en limites universelles sur les performances d’une large variété de machines et protocoles exploitant la mécanique quantique, qui seront d’importance majeure pour le champ en plein essor des technologie quantiques.