Thermodynamique quantique et optomécanique

La thermodynamique a ete developpee au XIXeme siecle pour etudier les machines a vapeur exploitant les transformations cycliques d'un fluide calorifique pour extraire de la chaleur de bains thermiques et la convertir en travail, eventuellement stocke dans une batterie. Cette discipline appliquee a finalement permis d'elaborer des concepts fondamentaux tels que l'irreversibilite. La thermodynamique quantique vise a revisiter ces resultats lorsque les fluides calorifiques, bains et batteries deviennent des systemes quantiques. Ses resultats sont encore essentiellement theoriques. Cette these propose donc des methodes de mesure in situ du travail, directement dans la batterie, et demontre le potentiel de deux plateformes pour ouvrir la voie a l'exploration experimentale de ce domaine en plein essor. J'ai tout d'abord etudie les systemes hybrides optomecaniques qui se composent d'un qubit couple au champ electromagnetique d'une part, et a un resonateur mecanique d'autre part. La frequence de transition du qubit est modulee par les vibrations du systeme mecanique, qui exerce ainsi une force sur le systeme. Le degre de liberte mecanique echange du travail avec le qubit et se comportant donc comme une batterie dispersive, c'est-a-dire dont la frequence propre est tres differente de celle de la transition du qubit. Enfin, le champ electromagnetique joue le role du bain. J'ai d'abord montre que les fluctuations d'energie mecanique de la batterie sont egales aux fluctuations du travail, ce qui permet de mesurer directement l'entropie produite. En consequence, les systemes hybrides optomecaniques sont prometteurs pour tester experimentalement les theoremes de fluctuations dans un systeme quantique ouvert. Par ailleurs, j'ai etudie la conversion d'energie optomecanique. J'ai montre qu'un systeme hybride optomecanique peut etre considere comme une machine thermique autonome et reversible permettant aussi bien de refroidir le resonateur mecanique que de construire un etat coherent de phonons en partant du bruit thermique. Par ailleurs, j'ai montre qu'il est possible de realiser un moteur quantique a deux temps extrayant du travail d'un bain unique, non thermique. Le qubit se trouve dans un guide d'ondes unidimensionnel et la batterie est le mode du guide de meme frequence que la transition du qubit. Il s'agit donc d'une batterie resonante, contrairement au cas precedent. Premierement, le qubit est couple au bain ingeniere, source d'energie et de coherence, qui le fait relaxer dans une superposition experimentalement controlable d'etats d'energie. Deuxiemement, le bain est deconnecte et du travail est extrait en couplant qubit a un champ coherent resonant. Ce type de systeme, appele atome unidimensionnel, peut etre realise avec des circuits supraconducteurs ou semi-conducteurs. La coherence de l'etat du qubit ameliore les performances de ce moteur a la fois dans le regime classique, ou un grand nombre de photons est injecte dans la batterie, et dans le regime quantique des petits nombres de photons. Cette these met en evidence le potentiel des systemes hybrides optomecaniques et des atomes unidimensionnels pour explorer experimentalement d'une part, l'irreversibilite et les theoremes de fluctuations dans les systemes quantiques ouverts, et d'autre part, le role de la coherence dans l'extraction de travail.