In the theory of open quantum systems, a quantum Markovian master equation, the Lindblad equation, reveals the most general form for the generators of a quantum dynamical semigroup. In this thesis, we present the derivation of the Lindblad equation and several examples of Lindblad equations with their analytic and numerical solutions. The graphs of the numerical solutions illuminate the dynamics and the stabilization as time increases. The corresponding von Neumann entropies are also presented as graphs. Moreover, to illustrate the difference between the dynamics of open and isolated systems, we prove two theorems about the conditions for stabilization of the solutions of the von Neumann equation which describes the dynamics of the density matrix of open quantum systems. It shows that the von Neumann equation is not satisfied for modelling dynamics in the cognitive contextin general. Instead, we use the Lindblad equation to model the mental dynamics of the players in the game of the 2-player prisoner’s dilemma to explain the irrational behaviors of the players. The stabilizing solution will lead the mental dynamics to an equilibrium state, which is regarded as the termination of the comparison process for a decision maker. The resulting pure strategy is selected probabilistically by performing a quantum measurement. We also discuss two important concepts, quantum decoherence and quantum Darwinism. Finally, we mention a classical Neural Network Master Equation introduced by Cowan and plan our further works on an analogous version for the quantum neural network by using the Lindblad equation.

On étudie le contrôle de systèmes quantiques en dimension finie soumis à des champs laser externes. Après avoir examiné l'exemple concret de l'alignement d'une molécule diatomique en milieu dissipatif, on s'intéresse au problème spécifique du contrôle optimal, où l'objectif est d'amener le système d'un état initial à un certain état final tout en minimisant une fonctionnelle de coût. Le principe du maximum de Pontryagin (PMP) fournit les conditions nécessaires d'optimalité, en établissant que toute trajectoire optimale est la solution extrémale d'un problème étendu de structure Hamiltonienne. Dans ce contexte, on procède à l'analyse de deux systèmes particuliers. Le premier est un système dissipatif à 2 niveaux, dont on souhaite déterminer l'ensemble des trajectoires en temps minimum; le second est un système conservatif à 3 niveaux non complètement contrôlable, où une mesure projective permet d'assister le processus de contrôle.

In this Bachelor thesis project, the Lindblad master equation is derived, both as the most general way of modeling interaction with an environment that lacks memory, and through microscopic derivations focused on assumptions about the way the system interacts with its environment (weak-coupling, Born-Markov and rotating wave approximations). It is then applied to a two-level system (qubit).

Some physical systems exhibit topological properties in the form of topological invariants— features of the system that remain constant unless the system undergoessignificant changes i.e. changes that require closing the energy gap of the Hamiltonian.This work studies one example of a system with topological properties — a Kitaevchain. Here, this model is studied when it is coupled to an environment. We studythe effect of the coupling on the topology of the system and attempt to find signaturesof topological phases in the dynamics of the system. By using the Lindblad equationdefined in the formalism of third quantization, we study the time evolution of thesystem numerically by using the Euler method. We find that the dynamics of theentanglement spectrum of half of the chain is different in the topological and trivialphases: if the system undergoes a quench from trivial to topological phase, the entanglementspectrum exhibits crossings as the system evolves in time. We also studythe topological phases when disorder is added to the system. We test the stabilityof the topological phases of the system against disorder and find that the topologicalphases are not affected by a weak disorder. Moreover, by studying the statistics of theminimum entanglement spectrum gap, we find that, in general, a stronger disordermakes the crossings less likely to appear in the topological phase and more likely toappear in the trivial phase. / Det finns fysiska system som visar topologiska egenskaper i form av topologiska invarianter,som ändras inte så länge systemet genomgår ändringar som inte stängerHamiltonianens energigap. I det här arbetet undersöker vi ett exempel av ett systemmed topologiska egenskaper — en Kitaev kedja. Denna modell är studerat närden är kopplad till en omgivning. Vi undersöker kopplingens påverkan på systemetstopologi och vi försöker hitta tecken på topologiska faser i systemets dynamik. Vianvänder Lindblads ekvation definierat i tredje kvantiserings formalism för att studerasystemets tidsutveckling numeriskt, genom att använda Eulers metod. Vi upptäckeratt det finns skillnader i tidsutveckling av kvantsammanflätningsspektrumav häften av kedjan som beror på systems topologiska fas. Om systemet genomgåren kvantsläckning från den triviala till den topologiska fasen, kommer det finnas korsningari kvantsammanflätningensspektrum som uppstår under dess tidsutveckling.Dessutom studerar vi de topologiska faserna när det finns oordning i systemet. Viundersöker topologiska fasernas stabilitet mot oordning och upptäcker att en svagoordning påverkar inte de topologika faserna. Dessutom, genom att studera den minstakvantsammanflätningsspektrumsgap upptäcker vi att en starkare oordning ledertill kvantsammanflätningsspektrumskorsningar att vara mindre sannolika i den topologiskafasen och mer sannolika i den triviala fasen.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Open quantum systems have become a rapidly developing sector for research. Such systems present novel physical phenomena, such as topological chirality, enhanced sensitivity, and unidirectional invisibility resulting from both their non-equilibrium dynamics and the presence of exceptional points. We begin by introducing the core features of open systems governed by non-Hermitian Hamiltonians, providing the PT -dimer as an illustrative example. Proceeding, we introduce the Lindblad master equation which provides a working description of decoherence in quantum systems, and investigate its properties through the Decohering Dimer and periodic potentials. We then detail our preferred experimental apparatus governed by the Lindbladian. Finally, we introduce the Liouvillian, its relation to non-Hermitian Hamiltonians and Lindbladians, and through it investigate multiple properties of open quantum systems.

Cette thèse traite du problème de la réduction de modèle pour les systèmes quantiquesouverts possédant différentes échelles de temps, également connu sous le nom d’éliminationadiabatique. L’objectif est d’obtenir une méthode générale d’élimination adiabatiqueassurant la structure quantique du modèle réduit.On considère un système quantique ouvert, décrit par une équation maîtresse deLindblad possédant deux échelles de temps, la dynamique rapide faisant converger lesystème vers un état d’équilibre. Les systèmes associés à un état d’équilibre unique ouune variété d’états d’équilibre ("decoherence-free space") sont considérés. La dynamiquelente est traitée comme une perturbation. En utilisant la séparation des échelles de temps,on développe une nouvelle technique d’élimination adiabatique pour obtenir, à n’importequel ordre, le modèle réduit décrivant les variables lentes. Cette méthode, basée sur undéveloppement asymptotique et la théorie géométrique des perturbations singulières, assureune bonne interprétation physique du modèle réduit au second ordre en exprimant ladynamique réduite sous une forme de Lindblad et la paramétrisation définissant la variétélente dans une forme de Kraus (préservant la trace et complètement positif). On obtientainsi des formules explicites, pour calculer le modèle réduit jusqu’au second ordre, dans lecas des systèmes composites faiblement couplés, de façon Hamiltonienne ou en cascade;des premiers résultats au troisième ordre sont présentés. Pour les systèmes possédant unevariété d’états d’équilibre, des formules explicites pour calculer le modèle réduit jusqu’ausecond ordre sont également obtenues. / This thesis addresses the model reduction problem for open quantum systems with differenttime-scales, also called adiabatic elimination. The objective is to derive a generic adiabaticelimination technique preserving the quantum structure for the reduced model.We consider an open quantum system, described by a Lindblad master equation withtwo time-scales, where the fast time-scale drives the system towards an equilibrium state.The cases of a unique steady state and a manifold of steady states (decoherence-free space)are considered. The slow dynamics is treated as a perturbation. Using the time-scaleseparation, we developed a new adiabatic elimination technique to derive at any orderthe reduced model describing the slow variables. The method, based on an asymptoticexpansion and geometric singular perturbation theory, ensures the physical interpretationof the reduced second-order model by giving the reduced dynamics in a Lindblad formand the mapping defining the slow manifold as a completely positive trace-preserving map(Kraus map) form. We give explicit second-order formulas, to compute the reduced model,for composite systems with weak - Hamiltonian or cascade - coupling between the twosubsystems and preliminary results on the third order. For systems with decoherence-freespace, explicit second order formulas are as well derived.

Cette thèse analyse certains aspects de la dynamique hors équilibre de systèmes quantiques unidimensionnels lorsqu’ils sont soumis à des champs externes dépendant du temps. Nous considérons plus particulièrement le cas des forçages périodiques, et le cas d’une variation temporelle lente d’un paramètre de l’Hamiltonien qui permet de traverser une transition de phase quantique. La première partie contient une présentation des notions, des modèles et des outils nécessaires pour comprendre la suite de la thèse, avec notamment des rappels sur les modèles quantiques critiques (en particulier sur les chaines de spin et sur le modèle de Bose-Hubbard), le mécanisme de Kibble-Zurek, et la théorie de Floquet. Ensuite, nous étudions la dynamique hors équilibre des gaz de Tonks-Girardeau dans un potentiel harmonique dépendant du temps par différentes techniques : développements perturbatifs, diagonalisation numérique exacte et solutions analytiques exactes basées sur la théorie des invariants dynamiques d’Ermakov-Lewis. Enfin, nous analysons la dynamique hors équilibre des systèmes quantiques ouverts markoviens soumis à des variations périodiques des paramètres du système et de l’environnement. Nous formulons une théorie de Floquet afin d’obtenir des solutions exactes des équations de Lindblad périodiques. Ce formalisme de Lindblad-Floquet est utilisé pour obtenir une caractérisation exacte du fonctionnement en temps fini des machines thermiques quantiques. / This thesis analyzes some aspects regarding the dynamics of one-dimensional quantum systems which are driven out-of-equilibrium by the presence of time- dependent external fields. Among the possible kinds of driven systems, our focus is dedicated to the slow variation of a Hamiltonian’s parameter across a quantum phase transition and to the case of a time-periodic forcing. To begin with, we prepare the background and the tools needed in the following. This includes a brief introduction to quantum critical models (in particular to the xy spin chain and to the Bose-Hubbard model), the Kibble-Zurek mechanism and Floquet theory. Next, we consider the non-equilibrium dynamics of Tonks-Girardeau gases in time-dependent harmonic trap potentials. The analysis is made with different techniques: perturbative expansions, numerical exact diagonalization and exact methods based on the theory of Ermakov-Lewis dynamical invariants. The last part of the thesis deals instead with the non-equilibrium dynamics of markovian open quantum systems subject to time-periodic perturbations of the system parameters and of the environment. This has led to an exact formulation of Floquet theory for a Lindblad dynamics. Moreover, within the Lindblad-Floquet framework it is possible to have an exact characterization ofthe finite-time operation of quantum heat-engines.

Dans cette thèse, nous étudions des rétroactions visant à stabiliser des systèmes quantiques en temps discret soumis à des mesures quantiques non-destructives (QND), ainsi que la stabilité des filtres quantiques à temps continu. Cette thèse comporte deux parties. Dans une première partie, nous généralisons les méthodes mathématiques sous-jacentes à une rétroaction quantique en temps discret testée expérimentalement au Laboratoire Kastler Brossel (LKB) de l'École Normale Supérieure (ENS) de Paris. Plus précisément,nous contribuons à un algorithme de contrôle qui a été utilisé lors de cette expérience récente de rétroaction quantique. L'expérience consiste en la préparation et la stabilisation à la demande d'états nombres de photons (états de Fock) d'un champ de micro-ondes au sein d'une cavité supraconductrice. Pour cela, nous concevons des filtres à temps-réel permettant d'estimer les états quantiques malgré des imperfections et des retards de mesure, et nous proposons une loi de rétroaction assurant la stabilisation d'un état cible prédéterminé. Cette rétroaction de stabilisation est obtenue grâce à des méthodes Lyapunov stochastique et elle repose sur un filtre estimant l'état quantique. Nous prouvons qu'une telle stratégie de contrôle se généralise à d'autres systèmes quantiques en temps discret soumis à des mesures QND. Dans une seconde partie, nous considérons une extension du résultat obtenu pour des filtres quantiques en temps discret au cas des filtres en temps continu. Dans ce but, nous démontrons la stabilité d'un filtre quantique associé à l'équation maîtresse stochastique usuelle découlant par un processus de Wiener. La stabilité signifie ici que la “distance”entre l'état physique et le filtre quantique associé décroit en moyenne. Cette partie étudie également la conception d'un filtre optimal en temps continu en présence d'imperfections de mesure. Pour ce faire, nous étendons la méthode utilisée précédemment pour construire les filtres quantiques en temps discret tolérants aux imperfections de mesure. Enfin,nous obtenons heuristiquement des filtres optimaux généraux en temps continu, dont la dynamique est décrite par des équations maîtresses stochastiques découlant à la fois par processus de Poisson et Wiener. Nous conjecturons que ces filtres optimaux sont stables. / In this thesis, we study measurement-based feedbacks stabilizing discrete-time quantum systems subject to quantum non-demolition (QND) measurements and stability of continuous-time quantum filters. This thesis contains two parts. In the first part, we generalize the mathematical methods underlying a discrete-time quantum feedback experimentally tested in Laboratoire Kastler Brossel (LKB) at Ecole Normale Supérieure (ENS) de Paris. In fact, we contribute to a control algorithm which has been used in this recent quantum feedback experiment. This experiment prepares and stabilizes on demand photon-number states (Fock states) of a microwave field in a superconducting cavity. We design real-time filters allowing estimation of the state despite measurement imperfections and delays, and we propose a feedback law which ensures the stabilization of a predetermined target state. This stabilizing feedback is obtained by stochastic Lyapunov techniques and depends on a filter estimating the quantum state. We prove that such control strategy extends to other discrete-time quantum systems under QND measurements. The second part considers an extension, to continuous-time, of a stability result for discrete-time quantum filters. Indeed, we prove the stability of a quantum filter associated to usual stochastic master equation driven by a Wiener process. This stability means that a “distance” between the physical state and its associated quantum filter decreases in average. Another subject that we study in this part is related to the design of a continuous-time optimal filter, in the presence of measurement imperfections. To this aim, we extend a construction method for discrete-time quantum filters with measurement imperfections. Finally, we obtain heuristically generalized continuous-time optimal filters whose dynamics are given by stochastic master equations driven by both Poisson and Wiener processes. We conjecture the stability of such optimal filters.

Dans cette thèse, nous étudions des rétroactions visant à stabiliser des systèmes quantiques en temps discret soumis à des mesures quantiques non-destructives (QND), ainsi que la stabilité des filtres quantiques à temps continu. Cette thèse comporte deux parties. Dans une première partie, nous généralisons les méthodes mathématiques sous-jacentes à une rétroaction quantique en temps discret testée expérimentalement au Laboratoire Kastler Brossel (LKB) de l'École Normale Supérieure (ENS) de Paris. Plus précisément,nous contribuons à un algorithme de contrôle qui a été utilisé lors de cette expérience récente de rétroaction quantique. L'expérience consiste en la préparation et la stabilisation à la demande d'états nombres de photons (états de Fock) d'un champ de micro-ondes au sein d'une cavité supraconductrice. Pour cela, nous concevons des filtres à temps-réel permettant d'estimer les états quantiques malgré des imperfections et des retards de mesure, et nous proposons une loi de rétroaction assurant la stabilisation d'un état cible prédéterminé. Cette rétroaction de stabilisation est obtenue grâce à des méthodes Lyapunov stochastique et elle repose sur un filtre estimant l'état quantique. Nous prouvons qu'une telle stratégie de contrôle se généralise à d'autres systèmes quantiques en temps discret soumis à des mesures QND. Dans une seconde partie, nous considérons une extension du résultat obtenu pour des filtres quantiques en temps discret au cas des filtres en temps continu. Dans ce but, nous démontrons la stabilité d'un filtre quantique associé à l'équation maîtresse stochastique usuelle découlant par un processus de Wiener. La stabilité signifie ici que la "distance"entre l'état physique et le filtre quantique associé décroit en moyenne. Cette partie étudie également la conception d'un filtre optimal en temps continu en présence d'imperfections de mesure. Pour ce faire, nous étendons la méthode utilisée précédemment pour construire les filtres quantiques en temps discret tolérants aux imperfections de mesure. Enfin,nous obtenons heuristiquement des filtres optimaux généraux en temps continu, dont la dynamique est décrite par des équations maîtresses stochastiques découlant à la fois par processus de Poisson et Wiener. Nous conjecturons que ces filtres optimaux sont stables.

<p>Open quantum systems have become a rapidly developing sector for research. Such systems present novel physical phenomena, such as topological chirality, enhanced sensitivity, and unidirectional invisibility resulting from both their non-equilibrium dynamics and the presence of exceptional points.</p> <p><br></p> <p>We begin by introducing the core features of open systems governed by non-Hermitian Hamiltonians, providing the PT -dimer as an illustrative example. Proceeding, we introduce the Lindblad master equation which provides a working description of decoherence in quantum systems, and investigate its properties through the Decohering Dimer and periodic potentials. We then detail our preferred experimental apparatus governed by the Lindbladian. Finally, we introduce the Liouvillian, its relation to non-Hermitian Hamiltonians and Lindbladians, and through it investigate multiple properties of open quantum systems.</p>