Phase transitions in light-matter systems for quantum sensing
Transitions de phase dans des systèmes lumière-matière pour la métrologie quantique
par Louis GARBE sous la direction de Arne KELLER
Thèse de doctorat en Physique
ED 564 Physique en Île-de-France

Soutenue le vendredi 02 octobre 2020 à Université de Paris (2019-....)

Sujets
  • Capteurs (technologie)
  • Effets de la lumière
  • Matière
  • Processus gaussiens
  • Théorie quantique de la mesure
  • Transitions de phases

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Mots clés
Interaction Lumière-matière, Couplage Ultra-fort, Transitions de Phase Quantiques, Systèmes de Taille Finie, Métrologie Quantique, Capteurs Quantiques, Etats Gaussiens
Resumé
Lorsque lumière et matière sont faiblement couplées, elles peuvent être traitées comme des systèmes distincts, échangeant des quanta d'énergie. En revanche, lorsque le taux de couplage devient très élevé, les deux systèmes se mêlent pour former des excitations hybrides, qui ne peuvent être décrites isolément en termes de lumière ou de matière. Au long de cette dissertation, nous étudierons quelques-unes des propriétés exotiques qui surviennent dans ce régime. Nous accorderons notamment une grande attention à l'émergence de transitions de phase quantiques dans ces systèmes. L'un des axes de recherche développés ici est l'étude d'un mécanisme de couplage à deux photons, par lequel des photons sont créés ou absorbés par paires. Ce mécanisme crée un diagramme de phase très riche, présentant à la fois une transition de phase et des instabilités. Une autre étude porte sur l'utilisation de ces transitions de phase pour le développement de capteurs. En effet, à proximité du point critique, le système devient extrêmement sensible à des perturbations extérieures. Nous présenterons un protocole exploitant un unique système à deux niveaux, couplé à un champ bosonique. En dépit de sa simplicité, un tel système peut générer des transitions de phase. Près du point critique, la fréquence du champ et celle du système à deux niveaux peuvent toutes deux être mesurées avec une précision accrue. Ainsi, des transitions de phase dans des systèmes de taille finie pourraient être utilisées pour développer des capteurs de petite taille. Enfin, en utilisant le formalisme des théories de ressources, nous étudierons comment la capacité d'un système physique à effectuer des tâches métrologiques pourrait être utilisée pour caractériser et quantifier la «non-classicalité» d'un tel système.