Phase transitions in light-matter systems for quantum sensing
Transitions de phase dans des systèmes lumière-matière pour la métrologie quantique
Résumé
When light and matter are weakly coupled, they can be described as two distinctive systems exchanging quanta of energy. By contrast, when their coupling strength becomes very large, the systems hybridize and form compounds that cannot be described in terms of light or matter only. In this Thesis, we will study some exotic properties which arise in this regime. In particular, we will be interested in the possibility to engineer quantum phase transitions in these systems. One direction we explore is the study of two-photon coupling, a mechanism in which photons are created or emitted in pairs. This mechanism creates a rich phase diagram containing both phase transitions and instabilities. Another point of interest is the possibility to use these transitions for sensing applications. Indeed, near the critical point, the system becomes extremely sensitive to external perturbations. We will present a protocol in which a single qubit coupled to a bosonic field. Despite its simplicity, this system displays a phase transition. Near the critical point, both the frequency of the qubit and the field can be measured with improved accuracy. Hence, finite-size transitions could be used to develop small-scale sensors. As last topic, we study how the ability of a system to perform certain metrological tasks could be used to characterize and quantify nonclassicality, by using the formalism of resource theories.
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.
Origine : Version validée par le jury (STAR)