Qu’est-ce que la chaleur, et qu’est-ce qu’un travail utile si une machine ne se compose que d’un atome et de particules de lumière ? Dans les technologies quantiques modernes, ce type de question relie la thermodynamique à la physique quantique. Des chercheurs de l’Université de Bâle, en Suisse, ont développé une approche théorique permettant de concilier les deux théories.
Les théories physiques de la thermodynamique et de la physique quantique ne pourraient être plus différentes. Tandis que la thermodynamique a été développée au XIXe siècle pour expliquer le principe de fonctionnement des grandes machines à vapeur, la physique quantique s’intéressait au début du XXe siècle aux propriétés des atomes et des particules subatomiques. Néanmoins, dans les technologies quantiques modernes, les deux théories se rencontrent à nouveau : en effet, de minuscules systèmes composés d’atomes et de particules de lumière (photons) peuvent absorber de l’énergie, la convertir et la libérer, agissant ainsi comme de minuscules machines quantiques.
Le défi des physiciens consiste à trouver un traitement de ces systèmes qui fonctionne à la fois pour un système entièrement mécanique quantique et dans la limite semi-classique. Cette dernière est le cas limite dans lequel une partie du système est traitée par la mécanique quantique, tandis que la physique classique suffit pour l’autre partie. Dans la revue scientifique Physical Review Letters, des chercheurs de l’Université de Bâle, dans le groupe du professeur Patrick Potts, ont présenté une approche théorique qui répond précisément à ce défi.
Moteurs thermiques miniatures dans une cavité
« Nos calculs portent sur le modèle physique concret d’un atome placé dans une cavité entre deux miroirs, où il peut absorber et émettre des particules de lumière », explique le postdoctorant Marcelo Janovitch. Un laser pompe en continu des photons supplémentaires dans la cavité, tandis que la lumière peut s’en échapper vers l’extérieur à travers les miroirs partiellement réfléchissants. « C’est un exemple classique de système dit dissipatif piloté, qui reçoit continuellement de l’énergie tout en la perdant simultanément dans l’environnement », précise le chercheur. Un tel modèle peut être utilisé pour étudier des questions fondamentales sur les systèmes quantiques ouverts. Dans ce contexte, l’atome agit comme un minuscule moteur thermique – ou, en l’occurrence, un « moteur de lumière ».
Récemment, Potts et ses collaborateurs avaient déjà montré que les particules de lumière s’échappant de la cavité ne doivent généralement pas être considérées comme de la « chaleur perdue » dans le traitement thermodynamique. Une partie de leur énergie peut en effet encore être utilisée pour effectuer un travail utile sur un autre système quantique. Dans leur nouvel article, les chercheurs ont étudié comment cette distinction entre chaleur et énergie utile affecte la limite semi-classique.
Dans la limite semi-classique, l’atome dans la cavité est toujours considéré comme un système quantique à niveaux d’énergie discrets, tandis que la lumière est désormais traitée comme une onde électromagnétique classique, de sorte que les effets quantiques peuvent être négligés. « Traiter la lumière de manière classique rend beaucoup plus facile la définition de la partie de l’énergie qui peut être utilisée pour effectuer un travail et de celle qui constitue une chaleur désordonnée », explique Janovitch. Point important : ce cas limite doit pouvoir être dérivé de manière cohérente du traitement thermodynamique quantique.
Des fluctuations réduites comme ressource
C’est précisément ce que Janovitch et ses collègues ont maintenant pu démontrer mathématiquement. Leur approche, dans laquelle une partie de la lumière émise est comptée comme du travail, peut être menée jusqu’à la limite semi-classique sans aucun problème. En revanche, la méthode conventionnelle, qui considère toute l’énergie s’échappant de la cavité comme de la chaleur, ne fonctionne pas. De plus, les calculs des chercheurs prédisent correctement comment les effets quantiques conduisent à une réduction des fluctuations des particules de lumière.
Ces fluctuations réduites sont particulièrement intéressantes pour les applications dans les technologies quantiques. Elles permettent d’utiliser la chaleur – qui entraîne normalement des perturbations dans les systèmes quantiques – comme ressource à des fins spécifiques. Par exemple, on peut créer des états particuliers de la lumière pouvant être utilisés pour des mesures particulièrement précises en métrologie quantique.
Article : Bridging Quantum and Semiclassical Thermodynamics in Cavity QED – Journal : Physical Review Letters – DOI : Lien vers l’étude
Source : Basel U.
