Offre de thèse
Thermodynamique des systèmes quantiques ouverts dans le régime cohérent-dissipatif
Date limite de candidature
03-05-2025
Date de début de contrat
01-09-2025
Directeur de thèse
KAREVSKI Dragi
Encadrement
La thèse sera co-encadrée par Cyril Elouard (Professeur Junior) et Dragi Karevski (PR). Le travail de doctorat sera organisé en périodes de recherche autonomes au cours desquelles les superviseurs seront disponibles et joignables pour répondre aux questions, séparées par des réunions régulières (généralement hebdomadaires). Ces dernières serviront à discuter des stratégies de recherche testées, des objectifs à court et à long terme, les obstacles rencontrés et les questions administratives. Ce sera également l'occasion de discuter des publications lues par l'étudiant. La thèse se fera également en forte interaction avec un postdoc qui a rejoint l'équipe en février 2025.
Type de contrat
école doctorale
équipe
contexte
La thermodynamique quantique est un champ de recherche en plein essor sur les 2 dernières décennies, motivé par les progrès récents concernant le contrôle des systèmes quantiques élémentaires et les avancées théoriques de thermodynamique hors-équilibre (thermodynamique stochastique) justifiant l'utilisation des concepts de thermodynamique pour des systèmes microscopiques en contact avec des environnement macroscopiques. Grâce à différents formalismes permettant de définir et calculer le travail, la chaleur ou la production d'entropie lors d'un processus impliquant un système quantique, la thermodynamique quantique permet d'analyser les performances de machines thermiques impliquant des systèmes quantiques, par exemple pour identifier des avantages vis à vis des machines thermiques classiques. Les concepts de thermodynamiques hors-équilibre apportent également un nouveau point de vue sur les dynamiques quantiques complexes. En particulier, l'analyse thermodynamique des systèmes quantiques ouverts, basée sur l'utilisation de l'équation de Lindblad, a permis des succès notables dans cette direction. Cependant, le régime cohérent dissipatif, correspondant à des équations de Lindblad dites 'non-séculaires', n'est pas bien compris du point de vue thermodynamique, et mène à des violations apparentes du 2nd principe de la thermodynamique [1,2]. Or, ce régime est très important car il arrive naturellement dans des situations importantes pour les technologies quantiques, par exemple lorsque l'on tente de réaliser une porte logique rapide sur un qubit en présence d'un environnement.spécialité
Physiquelaboratoire
LPCT - Laboratoire de Physique et Chimie Théoriques
Mots clés
Thermodynamique quantique, Systèmes quantiques ouverts, Physique théorique, Circuits supraconducteurs, Méthodes analytiques
Détail de l'offre
Contexte: Peut-on utiliser les concepts de la thermodynamique pour comprendre
les phénomènes du monde quantique?
Dans les années 90, la thermodynamique a été étendue pour inclure des systèmes microscopiques et loin de l'équilibre. Ces avancées ont motivé le développement du champ émergent de la thermodynamique quantique, qui a récemment permis de nouvelles découvertes en formulant les lois de la thermodynamique pour les systèmes quantiques hors-équilibre. Les motivations incluent la recherche d'avantages quantiques dans les performances de machines thermiques ou de batteries exploitant les propriétés du monde quantique (par exemple la mesure quantique [1]), ou bien la recherche de contraintes globales sur la dynamiques des systèmes quantiques complexes issues du Second Principe. Cependant, certains régimes 'profondément quantiques', où les plus grandes différences avec la thermodynamique classique sont attendues, restent pour l'instant hors d'atteinte [2,3]. C'est le cas du régime cohérent-dissipatif qui concerne les systèmes quantiques ouverts (couplés à un environnement) pour lesquels interactions cohérentes et dissipation sont d'importance comparables. Accéder à un description fine de la thermodynamique dans ce régime est indispensable pour de nombreuses applications telles que évaluer le coût en ressource associé à la manipulation des systèmes quantiques, optimiser les moteurs quantiques ou bien encore comprendre les échanges d'énergie qui accompagnent le processus de mesure quantique. Ces étapes sont à leur tour nécessaires pour développer l'utilisation expérimentale de la thermodynamique quantique dans de nouvelles plateformes.
Objectif de la thèse: L'objectif de ce projet théorique est de s'appuyer sur les récentes avancées dans la définition du travail et de chaleur échangée entre systèmes quantiques [4] pour développer un nouvelle méthodologie, capable de décrire efficacement la thermodynamique des systèmes quantiques ouverts dans le régime cohérent-dissipatif. Cette nouvelle approche sera utilisée pour explorer les effets propres au monde quantique en thermodynamique, en forte connexion avec des groupes expérimentaux (par exemple, travaillant sur des circuits supraconducteurs).
Cadre de la thèse: L'étudiant(e) rejoindra l'axe Dynamique et Symétrie du LPCT, à Nancy (Université de Lorraine). Le stage sera encadré par Cyril Elouard (Professeur Junior CPJ) et pourra être poursuivi par une thèse financée par le projet Européen ERC Starting Grant 'QARNOT'.
Keywords
Quantum thermodynamics, Quantum open systems, Theoretical physics, Superconducting circuits, Analytical methodologies
Subject details
Can we use the concepts from thermodynamics to better understand quantum phenomena? In the 90s, the scope of thermodynamics broadened to include small systems and far-from equilibrium transformations. Building on these advances, the emerging field of quantum thermodynamics has recently lead to breakthroughs formulating nonequilibrium thermodynamics in the quantum regime. Motivations range from the search of quantum advantages in heat engines or batteries based on quantum systems, to the expression of global constraints on many-body quantum dynamics stemming from the Second Law and the Fluctuation Theorems. However, deep quantum regimes where largest deviations from classical thermodynamics are expected remain elusive, limiting applications. In the ubiquitous case of a quantum system weakly coupled to its environment, this is the case of the coherent-dissipative regime, where coherent interaction and dissipation are equally important. Unlocking the thermodynamic description of this genuinely quantum regime is needed to unlock many applications such as evaluating the resource costs of quantum control, optimizing quantum heat engines or understand the energy transfers during a quantum measurement. Those milestones would in turn allow for important experimental developments of quantum thermodynamics in more platforms. The goal of this theoretical PhD project is to build on recent advances in defining work and heat at the microscopic level for autonomous quantum systems to develop a thermodynamic description of quantum open systems valid in the coherent-dissipative regime. This new methodology will be used to explore the manifestation of thermodynamic laws in the deep quantum regime over a range of applications, in strong connexion with experimental groups (e.g. working with superconducting circuits). The student will join the Dynamics and Symetry Axis of the LPCT lab in Nancy (Université de Lorraine) and will be supervised by Cyril Elouard (Junior Professor). We welcome applications of final year Master student wishing to do an internship before their PhD in the lab. The PhD is funded by the European ERC Starting Grant project 'QARNOT'.
Profil du candidat
Nous recherchons un.e candidat.e avec une formation solide en physique théorique et en mathématique et le goût pour les calculs analytiques. Une expérience de stage concernant les systèmes quantiques ouverts ou la thermodynamique quantique est un plus.
Candidate profile
We are looking for a candidate with a strong background in theoretical physics and strong mathematical skills, and a taste for analytical calculations. A previous experience in quantum open systems theory or quantum thermodynamics will be appreciated.
Référence biblio
[1] A. Levy and R. Kosloff,EPL10720004 (2014). Open access.
[2] A. Soret, V. Cavina, M. Esposito, arXiv:2207.05719.
[3] M. Esposito et al 2010 New J. Phys. 12 013013
[4] C. Elouard and C. Lombard Latune, PRX Quantum4, 020309 (2023), Open access.
[5] Breuer, H.-P., & Petruccione, F. (2002). The Theory of Open Quantum Systems. Oxford University Press.
[6] C. Elouard et al., New J. Phys. 22, 103039 (2020).