Corrélations quantiques : une approche de physique statistique La notion de cohérence, intimement liée à celle de dualité onde-corpuscule, joue un rôle central en mécanique quantique. Lorsque la cohérence quantique s'étend sur plusieurs particules au sein d'un système, la description en termes d'objets individuels devient impossible en raison des corrélations quantiques (ou intrication) qui se développent. Dans ce manuscrit, nous étudions les systèmes à l'équilibre, pour lesquels nous montrons que les fluctuations cohérentes viennent s'ajouter aux fluctuations prédites par des identités thermodynamiques valides pour les systèmes classiques. Au zéro absolu, les fluctuations cohérentes sont les seules à subsister, et nous étudions dans ce cas leur lien avec l'entropie d'intrication. Nous montrons en particulier qu'une hypothèse de température effective modulée spatialement rend compte de la structure de l'intrication au sein d'un système à N corps, et montrons comment cette température peut être extraite des corrélations usuelles. Nos résultats permettent par ailleurs une compréhension affinée des transitions de phase quantiques. Nous montrons par exemple que la transition entre un isolant de Mott bosonique et un superfluide donne lieu à une singularité de l'entropie d'intrication induite par les fluctuations d'amplitude de la phase du condensat. Nous identifions enfin une longueur de corrélation pilotant les lois d'échelles des fluctuations cohérentes au sein de l'éventail critique avoisinant une transition de phase quantique du second ordre, et proposons une ouverture vers les potentielles applications métrologiques de ces fluctuations cohérentes exceptionnellement fortes en nous appuyant sur l'exemple du modèle d'Ising.
Corrélations quantiques : une approche de physique statistique La notion de cohérence, intimement liée à celle de dualité onde-corpuscule, joue un rôle central en mécanique quantique. Lorsque la cohérence quantique s'étend sur plusieurs particules au sein d'un système, la description en termes d'objets individuels devient impossible en raison des corrélations quantiques (ou intrication) qui se développent. Dans ce manuscrit, nous étudions les systèmes à l'équilibre, pour lesquels nous montrons que les fluctuations cohérentes viennent s'ajouter aux fluctuations prédites par des identités thermodynamiques valides pour les systèmes classiques. Au zéro absolu, les fluctuations cohérentes sont les seules à subsister, et nous étudions dans ce cas leur lien avec l'entropie d'intrication. Nous montrons en particulier qu'une hypothèse de température effective modulée spatialement rend compte de la structure de l'intrication au sein d'un système à N corps, et montrons comment cette température peut être extraite des corrélations usuelles. Nos résultats permettent par ailleurs une compréhension affinée des transitions de phase quantiques. Nous montrons par exemple que la transition entre un isolant de Mott bosonique et un superfluide donne lieu à une singularité de l'entropie d'intrication induite par les fluctuations d'amplitude de la phase du condensat. Nous identifions enfin une longueur de corrélation pilotant les lois d'échelles des fluctuations cohérentes au sein de l'éventail critique avoisinant une transition de phase quantique du second ordre, et proposons une ouverture vers les potentielles applications métrologiques de ces fluctuations cohérentes exceptionnellement fortes en nous appuyant sur l'exemple du modèle d'Ising.
Processus assistés par dissipation et corrélations quantiques La dynamique dissipative des systèmes quantiques ouverts et les corrélations quantiques sont des sujets de grand intérêt actuel. Le premier en raison de sa nécessité pour décrire des systèmes réalistes et le second parce que les corrélations quantiques permettent de réaliser, en général, des protocoles véritablement quantiques. Cette thèse vise à étudier des processus physiques reposant sur la dissipation, en se concentrant également sur les corrélations quantiques et leur rôle dans ces processus, et sur la façon d'utiliser la dissipation pour générer des corrélations quantiques. Tout d'abord, nous présentons au lecteur les différents sujets abordés dans la thèse qui sont liés à divers domaines de recherche tels que les systèmes quantiques ouverts, la thermodynamique quantique, l'optique quantique et l'information quantique. Ensuite, chaque chapitre traite d'un sujet différent. Une première partie de la thèse inclut deux études dans le domaine de la thermodynamique quantique. Une première étude concerne un protocole d'extraction de travail exploitant un seul bain thermique. Le travail, défini dans la théorie des ressources thermodynamiques, est extrait d'une ressource et stocké dans un système bipartite en activant et en désactivant son interaction interne. Ensuite, nous appliquons ce protocole à deux systèmes physiques pertinents : deux qubits en interaction et le modèle de Rabi. Dans les deux cas, nous obtenons une extraction de travail comparable aux énergies nues des systèmes. Dans une seconde étude, nous analysons des machines thermiques quantiques basées sur des cycles thermodynamiques à deux temps utilisant deux bains à des températures différentes. Le fluide de travail est composé de systèmes avec des niveaux d'énergie régulièrement espacés et toutes les interactions considérées sont de type d'échange. Nous maximisons la puissance de deux cycles différents, en nous concentrant également sur le rôle du temps d'attente des machines. Dans une seconde partie de cette thèse, fortement liée aux systèmes quantiques ouverts, nous étudions d'abord la dynamique Markovienne et non-Markovienne d'un oscillateur harmonique quantique guidé au sein du modèle collisionnel. Même si ce projet de recherche est "en cours", nous avons déjà des résultats prometteurs tels que l'apparition d'un terme non adiabatique dans la limite continue de la dynamique Markovienne. Ensuite, nous étudions le modèle de Dicke à deux photons dans la limite de mauvaise cavité, en considérant un modèle assez général comprenant des bains de température finis et des pilotages cohérents et incohérents. Nous parvenons à dériver une équation maîtresse efficace pour la dynamique des qubits et à la comparer au cas à un photon. Dans le modèle à deux photons, nous observons une augmentation du taux d'émission de type spontané des qubits et une augmentation de la température effective perçue par les qubits. Ces différences conduisent à une génération plus rapide d’états stationnaires avec cohérence et à une dépendance plus riche des effets collectifs sur la température. Dans la dernière partie de la thèse, nous explorons la connexion entre l'énergie et l'intrication quantique dans un système bipartite fini arbitraire sans interaction, trouvant également les états intriqués d'énergie minimale (MEESs), c'est-à-dire les états ayant la quantité d'énergie minimale pour un degré donné d’intrication quantique. Nous étudions également comment ces états peuvent être générés à la fois par des processus unitaires et dissipatifs, trouvant, pour ces derniers, que les MEESs sont pratiquement les plus économiques à produire. De plus, les MEESs peuvent être connectés entre eux au moyen d'opérations locales et de communication classique et semblent avoir des connexions remarquables avec la thermodynamique quantique et la physique à plusieurs corps. Enfin, nous analysons comment utiliser nos résultats pour réduire le coût énergétique de différents protocoles d'information quantique.
Géométrie, topologie et dynamique des systèmes à N corps : perspectives quantiques et classiques Dans la présente thèse, nous étudions diverses instances de systèmes à N corps, tant quantiques et classiques, en adoptant une perspective géométrique et topologique. Les systèmes comportant un grand nombre de degrés de liberté peuvent présenter une grande variété de phénomènes émergents, allant de la métastabilité aux transition de phase, et leurs propriétés complexes échappent souvent à notre compréhension complète. Grâce à une inspection minutieuse des structures géométriques sous-jacentes à ces objets complexes et à l'aide de divers outils mathématiques, dont certains sont empruntés au domaine de la géométrie et de la topologie riemanniennes, nous tentons de caractériser leurs aspects les plus importants.La première partie de cette thèse se concentre sur le domaine de l'information quantique, explorant notamment les notions d'intrication quantique et de corrélations dans les systèmes quantiques discrets, d'abord dans des états purs, puis dans des états mixtes.Nous proposons une nouvelle mesure de l'intrication pour les états quantiques purs, l'entanglement distance, la discutons et la testons sur divers exemples.Nous étudions ensuite les états purs maximalement intriqués, révélant en partie leurs structures internes, en utilisant les notion intuitive de corrélation et de mesure projective. Ce faisant, nous sommes en mesure de montrer des relations simples entre les corrélations pré-mesure et les valeurs moyennes post-mesure, et de fournir une limite supérieure à la persistance d'intrication de tels états.Nous démontrons en outre comment les propriétés de connectivité d'un modèle paradigmatique de l'informatique quantique, le graph state, peuvent être sondées grâce à l'utilisation appropriée de corrélateurs quantiques.Notre étude est ensuite étendue au cadre des états quantiques mixtes. Nous déduisons de l'entanglement distance définie sur les états purs, les mesures induites de la corrélations quantique d'une part, et de l'intrication des états mixtes d'autre part. Nous soulignons les forces et les limites de cette dernière mesure, en particulier la lourde procédure d'optimisation qu'elle implique, et pour laquelle nous proposons une solution de contournement. Enfin, nous étudions la transition superradiante présente dans le modèle de Tavis-Cummings et révélons qu'elle s'accompagne d'un saut dans la corrélation quantique et l'intrication entre les atomes.Dans la deuxième partie de notre travail, nous abordons deux modèles classiques, tous deux possédant des comportements non ergodiques et fortement non-linéaires.Nous présentons d’abord une étude complète, à la fois numérique et analytique, d’un modèle jouet, exemple prototypique de modèle fortement non-additif à interaction à longue portée : l'Hamiltonien de champ moyen (HMF). À basse énergie dans l’ensemble microcanonique, un état métastable peut apparaître, appelé bicluster. En inspectant la dynamique d'une quantité macroscopique, la magnétisation, et en observant l'apparition de deux échelles de temps distinctes dans le système, nous proposons un scénario assez intuitif et cohérent expliquant la grande stabilité des biclusters, qui se maintiennent pendant de très longues durées.Nous introduisons enfin les résultats d'une étude numérique approfondie, appliquant la théorie topologique des transitions de phase à un modèle de verre. De tels systèmes sont notoirement difficiles à simuler et à équilibrer, en raison de leur dynamique très lente, caractéristique de la phase vitreuse, et de leur tendance à rester coincée dans de petites régions de l'espace des phases. Dans un cadre microcanonique, un complexe algorithme de Monte Carlo a été développé. Nos résultats, bien que préliminaires, sont encourageants : la chaleur spécifique présente des pics clairs pour deux valeurs de l'énergie, indiquant une transition du second ordre en deux étapes, en correspondance avec les changements topologiques des ensembles de niveaux équipotentiels sur lesquels le système est confiné.
Dynamiques de l'intrication et des corrélations dans les simulateurs quantiques Les plateformes de simulation quantique telles que les atomes froids, les circuits supraconducteurs et les ions piégés permettent l'étude expérimentale des systèmes quantiques à plusieurs corps, avec des implications majeures pour les technologies quantiques. Dans cette thèse, nous étudions comment l'intrication et les corrélations se développent dans de tels systèmes, et comment elles peuvent être exploitées à la fois pour l'étude théorique de modèles pertinents en physique de la matière condensée, et pour des applications pratiques en métrologie quantique. Nous commençons par nous concentrer sur la préparation adiabatique des états fondamentaux de systèmes quantiques à plusieurs corps. En particulier, nous montrons que les simulateurs quantiques peuvent sonder le lien entre la dégénérescence spectrale et la brisure spontanée de symétrie, tel que formulé par P.W. Anderson. Nous démontrons que des systèmes de spins 1/2 en nombre impair, présentant une symétrie de renversement temporel, possèdent une aimantation nette même en dehors de la limite thermodynamique, grâce à une dégénérescence spectrale exacte. De plus, l'état à symétrie brisée présente de la compression de spin (spin squeezing) qui croit d'autant plus que le système est grand, une ressource clé pour la métrologie quantique. Nous nous tournons ensuite vers un autre paradigme d'évolution : la dynamique de quench. En particulier, nous montrons que le suivi de l'évolution en temps réel des corrélations permet la mesure expérimentale de la relation de dispersion des excitations fondamentales. Dans le cas de systèmes bidimensionnels à ordre à longue portée, comme le modèle XY dipolaire, ces excitations sont des ondes de spin, menant à des signatures marquées dans l'évolution des fonctions de corrélation à deux points. En revanche, dans les systèmes unidimensionnels, les excitations fondamentales ont une nature fermionique, et leur détection nécessite la mesure de fonctions de corrélation non locales. Ces dernières, inaccessibles en matière condensée, sont en revanche particulièrement adaptées aux simulateurs quantiques disposant de degrés de liberté adressables individuellement.
Description des corrélations dans la dynamique des systèmes de fermions en interaction La dynamique d'un système quantique formée de particules en interaction devient rapidement impossible à décrire exactement lorsque le nombre de particules augmente. Ceci est une des principales difficultés dans la description des noyaux atomiques pouvant contenir plusieurs centaines de nucléons. Une approche simplifiée du problème consiste à supposer que certains degrés de liberté contiennent plus d'information que les autres. Une approximation classique est de se concentrer sur les degrés de liberté à un corps : la dynamique du système peut être approximativement décrite par un ensemble de particules se propageant dans un champ moyen effectif. Si l'approximation de champ moyen a permis de nombreuses avancées dans la compréhension théorique des propriétés des noyaux, il n'en reste pas moins qu'elle ne peut décrire un certain nombre de leurs propriétés, par exemple les effets des collisions directes entre les nucléons où les fluctuations quantiques des observables à un corps. L'objectif de la thèse est de rendre compte de ces corrélations au-delà de l'approximation de champ moyen afin d'améliorer la description dynamique des systèmes quantiques corrélés. Une composante de la thèse a été d'étudier les méthodes qui permettent de traiter les collisions entre les particules en incluant le terme de Born au-delà du champ moyen. Ce terme est particulièrement complexe à cause d'effets non-locaux en temps, effets dits non-markoviens. Des simplifications possibles de ce terme, en vue de futures applications, ont été étudiées. Deux approches simplificatrices ont été proposées, l'une permettant de traiter ce terme à l'aide d'équations maîtresses, l'autre en s'affranchissant des intégrales en temps. La seconde partie de la thèse a été consacrée à l'amélioration de l'approximation de champ moyen afin de décrire les fluctuations quantiques. En se basant sur des méthodes d'espace des phases existantes, une nouvelle méthode, appelée «Hybrid Phase Space Method» (HPS) a été proposée. Cette méthode est une combinaison entre la théorie de champ moyen avec fluctuations initiales et une théorie où les degrés de liberté à deux corps sont propagés explicitement. Cette nouvelle approche a été testée avec succès pour la description d'un ensemble de fermions sur réseau, i.e, le modèle de Fermi-Hubbard et a donné de bien meilleurs résultats que les approches d'espace des phases précédemment utilisées pour décrire les systèmes corrélés, notamment dans un cas de couplage faible. Si cette nouvelle approximation donne des résultats intéressants, elle reste cependant numériquement assez lourde et empirique. Cela a conduit à étudier en détail les formalismes de Wigner-Weyl et de Bohm afin d'explorer de manière plus systématique les méthodes d'espace des phases et amené à la notion de trajectoire en mécanique quantique. La conclusion de cette étude, dont les tests ont été effectués sur l'effet tunnel, est qu'il est nécessaire que les trajectoires interfèrent entre elles au cours du temps pour bien reproduire les effets quantiques.
Étude théorique des corrélations quantiques et des fluctuations non-linéaires dans les gaz quantiques Cette thèse est dédiée à l’étude des phénomènes non-linéaires dans deux fluides quantiques qui partagent de nombreuses similitudes : les condensats de Bose-Einstein et les “fluides de lumière”. Dans une première partie, nous étudions les analogues soniques des trous noirs. Il est possible de créer une configuration stationnaire d’un condensat de Bose-Einstein en écoulement d’une région subsonique vers une région supersonique. Ce fluide transsonique joue alors le rôle d’un trou noir puisque les ondes sonores ne peuvent s’échapper de la région supersonique. En outre, en quantifiant le champ sonore, il est possible de montrer qu’un rayonnement de Hawking analogue émerge des fluctuations quantiques du vide. Dans cette thèse, nous montrons que la prise en compte des “modes zéros” – omis jusqu’alors dans le contexte de la gravité analogue – est essentielle pour obtenir une description précise du processus de Hawking, menant alors à un excellent accord avec les résultats expérimentaux. Enfin, nous étudions l’intrication entre les différentes excitations quantiques et montrons que notre système crée de l’intrication tripartite. Dans un second temps, nous étudions la propagation des fluides non-linéaires grâce à une approche hydrodynamique et à des méthodes mathématiques développées par Riemann et Whitham. Nous étudions la structure oscillante et la dynamique des ondes de chocs dispersives qui se forment à la suite d’un déferlement. Notre approche permet de trouver des expressions analytiques simples qui décrivent les propriétés asymptotiques du choc. Cela donne accès à des paramètres d’intérêt expérimental, comme le temps de déferlement, la vitesse de l’onde de choc ou encore le contraste de ses franges.
Systèmes quantiques ouverts et processus stochastiques quantiques De nombreux phénomènes de physique quantique ne peuvent être compris que par l'analyse des systèmes ouverts. Un appareil de mesure, par exemple, est un système macroscopique en contact avec un système quantique. Ainsi, tout modèle d'expérience doit prendre en compte les dynamiques propres aux systèmes ouverts. Ces dynamiques peuvent être complexes : l'interaction du système avec son environnement peut modifier ses propriétés, l'interaction peu créer des effets de mémoire dans l'évolution du système, . . . Ces dynamiques sont particulièrement importantes dans l'étude des expériences d'optique quantique. Nous sommes aujourd'hui capables de manipuler individuellement des particules. Pour cela la compréhension et le contrôle de l'influence de l'environnement est crucial. Dans cette thèse nous étudions d'un point de vue théorique quelques procédures communément utilisées en optique quantique. Avant la présentation de nos résultats, nous introduisons et motivons l'utilisation de la description markovienne des systèmes quantiques ouverts. Nous présentons a la fois les équations maîtresses et le calcul stochastique quantique. Nous introduisons ensuite la notion de trajectoire quantique pour la description des mesures indirectes continues. C'est dans ce contexte que l'on présente les résultats obtenus au cours de cette thèse. Dans un premier temps, nous étudions la convergence des mesures non destructives. Nous montrons qu'elles reproduisent la réduction du paquet d'onde du système mesuré. Nous montrons que cette convergence est exponentielle avec un taux fixe. Nous bornons le temps moyen de convergence. Dans ce cadre, en utilisant les techniques de changement de mesure par martingale, nous obtenons la limite continue des trajectoires quantiques discrètes. Dans un second temps, nous étudions l'influence de l'enregistrement des résultats de mesure sur la préparation d'état par ingénierie de réservoir. Nous montrons que l'enregistrement des résultats de mesure n'a pas d'influence sur la convergence proprement dite. Cependant, nous trouvons que l'enregistrement des résultats de mesure modifie le comportement du système avant la convergence. Nous retrouvons une convergence exponentielle avec un taux équivalent au taux sans enregistrement. Mais nous trouvons aussi un nouveau taux de convergence correspondant a une stabilité asymptotique. Ce dernier taux est interprété comme une mesure non destructive ajoutée. Ainsi l'état du système ne converge qu'après un temps aléatoire. A partir de ce temps la convergence peut être bien plus rapide. Nous obtenons aussi une borne sur le temps moyen de convergence.