Concurrence et co

Imaginez une grande horloge à pendule entourée de plusieurs petites horloges qui se mettent à tourner à des rythmes différents. Si les pendules de l’horloge peuvent ajuster leurs rythmes en fonction de ceux de leurs voisins, ils peuvent, au fil du temps, se synchroniser et se déplacer à l’unisson les uns avec les autres. Ce processus de synchronisation implique deux mécanismes de rétroaction : les interactions entre les petites horloges identiques et l'interaction de chaque petite horloge avec la grande horloge externe.

Dans le monde quantique, cependant, cette coexistence – et l’impact des corrélations quantiques sur celle-ci – restent largement inexplorés. Les avantages thermodynamiques possibles de la synchronisation dans les systèmes quantiques n’ont pas non plus été beaucoup étudiés.

Des chercheurs du Centre de physique théorique des systèmes complexes de l’Institut des sciences fondamentales de Corée et de l’Institut indien de technologie de Bombay en Inde ont récemment entrepris de combler cette lacune. Leurs travaux mettent en lumière la façon dont les deux mécanismes de synchronisation – l’interaction entre les systèmes et les interactions avec une source externe commune – entrent en compétition ou coopèrent lorsqu’ils présentent un comportement thermodynamique dans des machines quantiques.

Dans leur étude, qu'ils décrivent dans Physical Review Letters, Taufiq Murtadho, Sai Vinjanampathy et Juzar Thingna considèrent un ensemble de machines thermiques quantiques en interaction mutuelle. Les machines en question sont des systèmes quantiques multiniveaux en contact avec un réservoir chaud et froid. Le niveau le plus excité du système est constitué de multiples parties identiques avec couplage mutuel, analogues aux petites horloges de la métaphore. Pour imiter le comportement de la grande horloge – une unité externe commune qui entraîne l’évolution du système – la machine interagit également avec une source externe. Selon le régime de travail, cette configuration peut se comporter comme un moteur qui pompe la chaleur du réservoir chaud vers le réservoir froid, ou comme un réfrigérateur qui fait le contraire.

L’équipe a commencé par montrer qu’un simple système à quatre niveaux, interagissant avec une source externe, est suffisant pour étudier l’interaction des mécanismes de synchronisation et son utilité pour les moteurs thermiques quantiques. Thingna et ses collègues ont ensuite étudié ce qui arrive aux multiples pièces identiques de la machine en raison des deux mécanismes de synchronisation lorsque l'installation se comporte comme un moteur et lorsqu'elle se comporte comme un réfrigérateur.

Ils ont notamment découvert que l’interaction entre les différentes parties de la machine peut produire une configuration symétrique – toutes les parties correspondent aux rythmes – et une configuration antisymétrique – toutes les parties ne correspondent pas aux rythmes. En revanche, la source externe entraîne toujours les multiples pièces dans une configuration symétrique.

Suivant ce fil conducteur, les chercheurs ont découvert que dans le régime moteur, les deux mécanismes – l’interaction mutuelle et la motivation externe – favorisent des configurations d’états opposées. Cela conduit à une concurrence entre les deux mécanismes. En régime réfrigérateur, cependant, les deux mécanismes préfèrent la configuration symétrique et coopèrent donc.

L’équipe est ensuite allée plus loin et a montré que dans la limite thermodynamique, lorsque le nombre de plusieurs pièces individuelles est très grand, une compétition et une coopération entre les mécanismes se produisent toujours. Cependant, à mesure que le système se développe, le couplage mutuel devient le mécanisme dominant. Cela n’affecte pas le régime de coopération, mais la concurrence, bien que toujours présente, devient moins pertinente dans le régime des moteurs.

En plus de découvrir l'interaction entre les mécanismes, les auteurs ont également mis en lumière la façon dont la synchronisation affecte les performances thermodynamiques des machines quantiques. Dans un article complémentaire publié dans Physical Review A, les auteurs illustrent comment la synchronisation peut limiter la quantité de chaleur inutile générée. Pour une machine, un moteur ou un réfrigérateur en état de marche, cela implique, au-delà de la limite supérieure bien connue de Carnot, une nouvelle limite inférieure d'efficacité.

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Selon Thingna et Vinjanampathy, ces résultats auront des implications directes pour la création de technologies quantiques où la conduite externe et les interactions mutuelles sont importantes. Ils ajoutent que comprendre les liens entre la thermodynamique et les différents types de mécanismes de synchronisation dans les systèmes quantiques sera essentiel pour construire et concevoir des machines économes en énergie fonctionnant selon les principes thermodynamiques. Ce travail, concluent-ils, ajoute une pièce supplémentaire au puzzle des différentes facettes du « quantique » en thermodynamique quantique.