Conversion éNergie Information à l'écheLle du quAntum unique – INCAL

« Information is physical » : en postulant la nature physique de l’information en 1961, Landauer résolvait le paradoxe du démon de Maxwell et rapprochait fructueusement la thermodynamique et les sciences de l’information. En particulier, la limite de Landauer pose le coût énergétique minimal pour effacer un bit d’information. Réversiblement, un bit d’information peut être converti en travail utile (machine de Szilard). Plus tard dans les années 90, les développements de l’information quantique ont changé la perspective sur l’intrication, désormais une ressource permettant de communiquer de façon plus sûre et de calculer plus efficacement que dans le monde classique. Récemment, les particularités de l’information quantique ont commencé à être explorées dans le contexte de la thermodynamique. Etonnamment, il a été montré qu’effacer un bit pouvait produire du travail pour peu que l’observateur soit quantique - une différence profonde par rapport à l’information classique.

Grâce aux progrès des nanotechnologies, la limite de Landauer et la machine de Szilard ont récemment été démontrées expérimentalement avec des systèmes classiques. En revanche, la thermodynamique de l’information quantique est jusqu’à présent restée une problématique théorique, mettant en jeu des notions abstraites de bains thermiques, batteries et petits systèmes. Le but de ce projet est de donner une identité physique à ces notions, et de suggérer et modéliser des expériences dans ce domaine nouveau, en interaction étroite avec des groupes expérimentaux. Les études de faisabilité seront conduites dans deux domaines très différents ayant déjà produit des résultats impressionnants pour le traitement quantique de l’information, l’électrodynamique des circuits (cas 1) et l’optomécanique (cas 2).

Dans une première étape, nous construirons les outils conceptuels et les modèles nécessaires à la description d’une machine thermique fonctionnant à l’échelle du quantum unique. Nous nous attacherons particulièrement à caractériser le travail produit par la machine, qui pourra être un petit champ électromagnétique (cas 1) ou phononique (cas 2). Cette approche est radicalement nouvelle, les estimations des grandeurs thermodynamiques ayant jusqu’à présent été déduites de mesures effectuées sur le seul petit système. Elle repose sur la capacité d’observer continûment des environnements telles que les lignes de transmission d’un circuit supraconducteur ou les modes de vibration d’un nano-résonateur, une capacité que nous exploiterons ici pour la première fois dans un contexte thermodynamique. Cette étude conduira à la première mesure directe de la limite de Landauer.

Dans une seconde étape, nous étudions le potentiel de chaque système en tant que plateforme pour étudier des effets physiques nouveaux liés à la spécificité de l’information quantique. Dans ce but, des machines thermiques impliquant deux bits quantiques seront caractérisées. Nous explorerons dans quelle mesure l’énergie extractible de la machine peut être reliée à l’intensité des corrélations entre les deux qubits. Un produit final de ces recherches fondamentales pourrait être une machine thermique fonctionnant comme détecteur de l’intrication.

Le succès d’un tel projet contribuera à créer une synergie importante autour d’un sujet encore vierge dans le laboratoire, où toutes les compétences sont représentées, de l’optique quantique, l’optomécanique à l’information quantique. Il s’appuyera sur la collaboration avec une équipe mondialement reconnue dans le domaine de la thermodynamique théorique de l’information quantique, et vise à créer un laboratoire d’idées dans la thématique, en connexion directe avec les expérimentateurs. Plus profondément, ce projet mettra en place les premières briques de base pour la compréhension de la conversion information/énergie à l’échelle du quantum unique, un sujet hautement porteur dans nos sociétés de l’information.