ERC - Thermodynamique hors-équilibre des systèmes quantiques à N corps

Offre de thèse

Date limite de candidature

19-04-2026

Date de début de contrat

01-10-2026

Directeur de thèse

CHATELAIN Christophe

Encadrement

Le.La doctorant mènera ses recherches via des périodes d'autonomie pendant lesquelles les encadrants seront disponibles et joignables pour répondre à des questions, lever des doutes. Ces périodes seront entrecoupées d'entretiens réguliers (par exemple hebdomadaires) permettant de faire un point plus poussé sur les stratégies de recherches testées, les objectifs à court et long terme, les difficultés rencontrées, les questions administratives, la valorisation des résultats, ainsi que de discuter des publications lues par la.le doctorant.e. Ces rencontres régulières seront complétées par des discussions prévues au coup par coup si nécessaire. Ecole doctorale : Comité de suivi individuel : Un comité de suivi individuel est défini par concertation entre le doctorant et son directeur de thèse au cours des six premiers mois suivant sa première inscription et renseigné sur ADUM par le doctorant pour validation par l'école doctorale. Il est composé à minima de deux membres, chercheurs ou enseignants-chercheurs, dont un au moins est titulaire de l'HdR. Les membres sont externes à l'équipe d'accueil et au moins un des deux, externe au laboratoire d'accueil. Son rôle est de veiller au bon déroulement du cursus en s'appuyant sur la charte du doctorat et de la convention de formation. Le comité de suivi rencontre le doctorant en fin de première et de deuxième année. A l'issue de l'entretien, le comité de suivi formule des recommandations et transmet à l'école doctorale un rapport synthétique selon les items décrits sur le site web de l'ED). La validation du rapport par le directeur de l'ED entraine l'inscription en année supérieure. En cas de non-validation, le conseil restreint de l'ED statue sur les actions à entreprendre. Formation : Durant sa thèse, le doctorant doit suivre à hauteur de 80h minimale un ensemble de formations scientifiques et transverses tels que décrits sur le site de l'école doctorale. La validation du parcours de thèse se fait selon les points complémentaires (module séminaire, doctoriale, séminaire école doctorale, publication..) définis sur le site de l'école doctorale. ------------------------------------------------ The PhD's work will be organized in autonomous research periods during which the supervisors will be available and reachable to answer questions, and regular meetings (typically weekly). The latter will be used to discuss tested research strategies, short and long term goals, faced obstacles and administrative issues. It will also be the opportunity to discuss publications read by the student. An individual monitoring committee composed of researchers not involved in the thesis supervision will be defined in consultation with the doctoral student and his/her thesis supervisor. Its role is to ensure the proper conduct of the PhD thesis and the student's training. After yearly meetings with the student and supervisors, the committee makes yearly recommendations whose validation by the doctoral school is mandatory before enrollment in the next PhD year.

Type de contrat

Programmes de l'Union Européenne de financement de la recherche (ERC, ERASMUS)

Candidater à cette offre

école doctorale

C2MP - CHIMIE MECANIQUE MATERIAUX PHYSIQUE

équipe

contexte

Contexte: Dans les années 90, le champ d'application de la thermodynamique s'est élargi pour inclure les petits systèmes et les transformations loin de l'équilibre. S'appuyant sur ces avancées, le domaine émergent de la thermodynamique quantique a récemment conduit à des percées dans la formulation de la thermodynamique hors-équilibre dans le régime quantique. Les motivations incluent la recherche d'avantages quantiques dans les moteurs thermiques (par exemple basés sur l'intrication ou la mesure quantique [1]) ou dans les batteries basées sur des systèmes quantiques. Egalement, un grand intérêt est porté à l'expression de contraintes globales sur la dynamique quantique à plusieurs corps découlant du Second Principe, ou bien de ses généralisations aux systèmes stochastiques appelées Théorèmes des Fluctuations [2]. L'un des succès récents du domaine a été de surmonter les difficultés fondamentales dans la définition du travail et de la chaleur échangés entre plusieurs systèmes quantiques, et d'exprimer le Second Principe dans un contexte pleinement quantique [3]. Cependant, l'utilisation de ces cadres nécessite de suivre (de mesurer ou simuler) l'état quantique complet des systèmes étudiés (la matrice densité). En particulier, ce dernier est nécessaire pour calculer l'entropie de von Neumann du système, qui joue souvent le rôle de l'entropie thermodynamique dans ce contexte. Bien que cela soit réalisable pour un système quantique élémentaire, par exemple un système à deux niveaux ou un oscillateur harmonique faiblement couplé à son environnement, cela devient rapidement impossible pour les systèmes quantiques à plusieurs corps. Il serait donc très précieux d'avoir des énoncés similaires aux lois thermodynamiques macroscopiques, qui fournissent des contraintes sur la manière dont les échanges d'énergie se produisent dans les systèmes quantiques à N corps, et qui pourraient être utilisés sans avoir à résoudre exactement la dynamique totale (comme c'est le cas en thermodynamique macroscopique classique). Pour atteindre cet objectif, de nouveaux formalismes emergent, utilisant uniquement l'information contenue dans quelques observables macroscopiques (c'est-à-dire à gros-grain) du système, censées jouer le rôle de variables d'état (voir par exemple [4]). --------------------------------------------------------------------------------------------- Context: 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 (for instance based on entanglement or quantum measurement [1]) or batteries based on quantum systems, to the expression of global constraints on many-body quantum dynamics stemming from the Second Law, or its generalizations to stochastic systems called Fluctuation Theorems [2]. One of the recent successes of the field was to overcome foundational difficulties in defining work and heat exchanged between quantum systems, and express the Second law in a fully quantum context [3]. However, utilizing those frameworks require to keep track (to measure or to simulate) the full quantum state of the systems under study (the density operator). In particular, the later is needed to compute the von Neumann entropy of the system. While this is tractable for an elementary quantum system, e.g. a two-level system or a harmonic oscillator weakly coupled to their environment, it becomes quickly impossible for many-body quantum systems. Instead, it would be very valuable to have statements similar to macroscopic thermodynamic laws, which provide constraints on how energy exchanges occur in many-body quantum systems, and which could be used without solving the total dynamics exactly (as it is the case in classical macroscopic thermodynamics). To reach this goal, new frameworks for quantum thermodynamics are currently being developed to exploit information contained in only a few macroscopic (i.e. coarse-grained) observables of the system, expected to play the role of state variables (see for example [4]).

spécialité

Physique

laboratoire

LPCT - Laboratoire de Physique et Chimie Théoriques

Mots clés

Thermodynamique quantique, systèmes quantiques à N corps, Réseaux de tenseurs

Détail de l'offre

Peut-on utiliser les concepts de la thermodynamique pour mieux comprendre les dynamiques quantiques complexes ?

La thermodynamique quantique a récemment conduit à des percées dans la formulation de la thermodynamique hors-équilibre, permettant d'analyser l'impact des propriétés spécifiques au monde quantique (intrication, superpositions cohérentes, mesure quantique [1,2,3]) sur l'expression des lois de la thermodynamique et sur les performances de machines thermiques. Cependant, son cadre théorique est basé sur l'hypothèse que l'état du système quantique d'intérêt (jouant le rôle du 'fluide calorifique' d'une machine thermique) et son évolution au cours du temps sont connus. En particulier, connaître la matrice densité complète du système est nécessaire pour calculer l'entropie de von Neumann, qui joue souvent le rôle de l'entropie thermodynamique dans ce contexte. Bien que cela soit réalisable pour un système quantique élémentaire, par exemple un système à deux niveaux ou un oscillateur harmonique faiblement couplé à son environnement, cela devient rapidement impossible pour les systèmes quantiques à plusieurs corps, a fortiori en présence de dissipation et décohérence induite par l'environnement.

Il serait donc très précieux d'avoir des énoncés similaires aux lois thermodynamiques macroscopiques, qui fournissent des contraintes sur la manière dont les échanges d'énergie se produisent dans les systèmes quantiques à N corps, et qui peuvent être utilisés sans avoir à résoudre exactement la dynamique totale. Pour atteindre cet objectif, il faut développer un formalisme qui utilise l'information contenue dans seulement quelques observables macroscopiques du système, censées jouer le rôle de variables d'état (voir par exemple [4]).

L'objectif du projet de doctorat est de participer au développement de ces nouvelles méthodologies en testant les nouvelles approches développées dans le groupe de Thermodynamique Hors Équilibre de l'Université de Lorraine sur des modèles paradigmatiques de systèmes quantiques à N corps.

Keywords

Quantum thermodynamics, Quantum many body systems, Tensor networks

Subject details

Can thermodynamic concepts be used to better understand complex quantum dynamics? Quantum thermodynamics has recently led to breakthroughs in the formulation of non-equilibrium thermodynamics, enabling the analysis of the impact of quantum-specific properties (entanglement, coherent superpositions, quantum measurement [1,2,3]) on the expression of thermodynamic laws and the performance of thermal machines. However, its theoretical framework assumes that the state of the quantum system of interest (playing the role of the 'working fluid' in a thermal machine) and its time evolution are known. In particular, knowing the complete density matrix of the system is necessary to compute the von Neumann entropy, which often serves as the thermodynamic entropy in this context. While this is feasible for a simple quantum system, such as a two-level system or a weakly coupled harmonic oscillator, it becomes rapidly impossible for many-body quantum systems, especially in the presence of dissipation and decoherence induced by the environment. It would therefore be highly valuable to derive statements analogous to macroscopic thermodynamic laws that provide constraints on how energy exchanges occur in many-body quantum systems, without having to solve for the full dynamics. To achieve this goal, a formalism must be developed that leverages information from only a few macroscopic observables of the system, which are expected to play the role of state variables (see, for example, [4]). The goal of the PhD project is to participate into the development of those novel methodologies by testing the novel approaches developed in the Nonequilibrium Thermodynamics group of the Université de Lorraine over paradigmatic examples of many-body quantum systems. Examples include spin-chains or ensembles of quantum emitters (atoms) coupled to an electromagnetic field. The PhD student will work in close collaboration with a postdoc of the group involved in the development of those new framework.

Profil du candidat

Nous recherchons des candidats avec un solide background en physique théorique et en méthodes numériques. Des stages ou cours antérieurs en méthodes numériques pour les systèmes à N corps (par exemple comme les réseaux de tenseurs) seront appréciés, ainsi qu'une expérience en dynamique quantique ou en systèmes quantiques ouverts.

Candidate profile

We are looking for excellent candidates with strong background in theoretical physics and numerical methods. Previous internships or courses in numerical methods for many body system (such as tensor networks) will be appreciated, as well as experience in quantum dynamics or quantum open systems.

Référence biblio

[1] C.Elouard, D. Herrera-Martí, B. Huard, and A. Auffèves, Phys. Rev. Lett.118, 260603 (2017). Open access.
[2] Sevick, E. M., Prabhakar, R., Williams, S. R., & Searles, D. J. (2008). Fluctuation Theorems. Annu. Rev. Phys. Chem., (Volume 59, 2008), 603–633. Open access. 10.1146/annurev.physchem.58.032806.104555
[3] C. Elouard and C. Lombard Latune, PRX Quantum4, 020309 (2023), Open access.
[4] G. Rubino, Č. Brukner, & G. Manzano (2025). Open access