Reservoir-induced dynamics and information processing in quantum optical systems
Dynamique et traitement de l'information induits par réservoir dans des systèmes d'optique quantique
Résumé
This thesis is devoted to the study of reservoir-induced dynamics and reservoir computing in the context of quantum optics, structured along three major axes: (1) the dissipative dynamics of a quantum system in the presence of the environment (modeled as a reservoir); (2) harnessing dissipation as a resource by appropriate design of the reservoir to achieve desired control over a quantum system (reservoir engineering) and (3) exploiting the dynamics of a reservoir itself for information-processing applications (reservoir computing).
In the first part, we study a dissipative phase transition in a photonic system subjected to a coherent optical drive. We propose an all-optical technique of tuning the spatial geometry of the system in situ and demonstrate that a first-order dissipative phase transition emerges in a two-dimensional (2D) configuration but not in 1D. We show the experiments validating our theoretical predictions, representing the first experimental demonstration of the role of dimensionality in determining criticality in photonic systems. In the second part, we address the theory of reservoir engineering. We derive the effective dynamics induced by a strongly dissipative single-mode reservoir, and propose a photonic quantum simulator for antiferromagnetic spins by applying the theory. We show that the reservoir is capable of mediating both coherent and dissipative antiferromagneticlike couplings between the simulated spins, and that the dissipative coupling alone can induce frustration in the system. The final part explores the paradigm of reservoir computing in relativistic quantum information. Here, the reservoir refers to a generic physical system with nontrivial response dynamics when subjected to some input, that one can exploit to construct useful representations of the input information. The system studied consists of a quantum detector undergoing relativistic motion inside a cavity, that can be implemented on analog platforms such as circuit QED. We illustrate the proposed reservoir-computing scheme with a supervised classification task via numerical simulation of the system, and show that the relativistic quantum effects bring a considerable enhancement to the performance of the classifier. This shows that one can harness information-processing power from the fundamental laws of physics, providing a first instance of relativity-inspired quantum reservoir computing.
Cette thèse est consacrée à l'étude de la dynamique et l'apprentissage automatique induits par réservoir dans le contexte de l'optique quantique. Elle est structurée autours de trois axes majeurs : (1) la dynamique dissipative d'un système quantique en présence de son environnement (modélisé par un réservoir); (2) le contrôle d'un système quantique par une conception appropriée du réservoir (ingénierie de réservoir) et (3) l'exploitation de la dynamique d'un réservoir lui-même pour traiter de l'information (calcul par réservoir).
Dans la première partie, nous étudions une transition de phase dissipative dans un système photonique soumis à un pompage optique cohérent. Nous proposons une technique permettant d'ajuster in situ la géométrie spatiale du système de manière purement optique. Nous montrons l'émergence d'une transition de phase du premier ordre en deux dimensions et son absence en une dimension. Nous présentons les expériences confirmant nos prédictions théoriques, ce qui représente la première démonstration expérimentale du rôle de la dimensionnalité dans l'existence de la criticalité dans des systèmes photoniques. Dans la deuxième partie, nous traitons la théorie de l'ingénierie de réservoir. Nous dérivons la dynamique effective induite par un réservoir fortement dissipatif à un seul mode, et proposons un simulateur photonique pour des spins antiferromagnétiques en appliquant cette théorie. Nous démontrons que le réservoir est capable d'induire des couplages antiferromagnétiques cohérents et dissipatifs entre les spins simulés, et que le couplage dissipatif seul donne lieu à la frustration dans le système. Enfin, nous explorons dans la dernière partie l'apprentissage automatique au moyen de réservoirs dans l'information quantique relativiste. Ici, le réservoir est un système physique générique qui réagit par une dynamique non triviale en réponse à une excitation en entrée. Cette dynamique peut être exploitée pour construire des représentations utiles de l'entrée. Le système étudié comprend un détecteur quantique en mouvement relativiste dans une cavité, que l'on peut implémenter sur des plateformes analogiques comme des circuits supraconducteurs. Nous illustrons le protocole proposé sur un problème de classification par simulation numérique du système, et constatons une augmentation considérable de la performance dans le régime relativiste. Nos résultats constituent un premier exemple du calcul par réservoir quantique inspiré de la relativité, montrant que l'on peut tirer parti des lois fondamentales de la physique pour traiter de l'information.
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