Institut des
NanoSciences de Paris
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Soutenance de thèse de Angus Dunnet - Vendredi 3 décembre 2021 à 14 h 30

Angus Dunnet, doctorant dans l’équipe Photonique et cohérence de spin soutient sa thèse le vendredi 3 décembre 2021 à 14 h 30.

Sorbonne Université - 4 place Jussieu - 75005 Paris - Amphi Charpak

Décrire les systèmes quantiques ouverts à température non-nulle à l’aide de Réseaux de Tenseurs avec application à la Spectroscopie

Résumé

Comprendre la décohérence et la dissipation dans les systèmes quantiques est essentiel pour exploiter les effets quantiques dans les applications technologiques émergentes. Une bonne compréhension nécessite une modélisation précise de l’interaction entre l’environnement et le système qui ne peut être obtenue qu’en traitant ceux-ci sur un pied d’égalité. Simuler la fonction d’onde entière du système+environnement est une tâche difficile en raison de la croissance exponentielle de l’espace de Hilbert qui est caractéristique de la mécanique quantique. En utilisant des méthodes à plusieurs corps basées sur le concept puissant de réseaux de tenseurs, on peut, néanmoins, obtenir une dynamique quantique numériquement exacte pour des systèmes avec des centaines de degrés de liberté. De plus, une innovation récente a montré que cette approche à plusieurs corps peut être étendue à des températures non-nulle sans augmentation du coût de calcul ou de la complexité algorithmique. Cela nous a permis de comparer directement les simulations dynamiques quantiques avec des résultats expérimentaux. Plus précisément, des simulations de l’hamiltonien de couplage vibronique linéaire, paramétrés à l’aide de méthodes de structure électronique ab initio, ont été utilisés pour calculer le spectre d’absorption du colorant Méthylène blue dans l’eau. Cette étude a élucidé certaines caractéristiques inexpliquées de l’absorption et a montré comment la dynamique non-adiabatique résultant d’une intersection conique peut conduire à des emprunts d’intensité entre et les états excités brillant et sombres. Plusieurs avancées méthodologiques sont également réalisées, dont une amélioration de la méthode d’évolution temporelle TDVP qui apporte un ordre de grandeur d’accélération par rapport aux méthodes existantes.

Mots clés : Systèmes quantique ouverts, Réseaux de Tenseurs

Jury

Mme Susana Huelga (Ulm university, rapporteure) M. Johannes Schachenmayer (Université de Strasbourg, rapporteur) Mme Michèle Desouter-Lecomte (ICP, Université Paris-Saclay, examinatrice) M. Riccardo Spezia (LCT, Sorbonne Université, examinateur) M. David Reichman (Columbia University, examinateur) M. Alex Chin (INSP, directeur de thèse)


English version

Angus Dunnett, PhD student in the Photonics and coherence of spin team is defending his thesis on Friday, December 3, 2021 at 2.30 pm.

INSP - Sorbonne Université - 4 place Jussieu - 75005 Paris - Amphi Charpak.

Tensor Network approaches to Open Quantum Systems at Finite Temperature with applications to Spectroscopy

Abstract

Anderstanding decoherence and dissipation in quantum systems is essential for exploiting quantum effects in emerging technological applications. A proper understanding requires accurate modelling of the system-environment interaction which can only be achieved through treating the system and environment on an equal footing. Simulating the entire system+environment wave-function is a challenging task due to the exponential scaling which is characteristic of quantum mechanics. By using many-body methods based on the powerful concept of a tensor network, one can, nonetheless, obtain numerically exact quantum dynamics for systems with hundreds of degrees of freedom. In addition, a recent innovation has shown that this many-body approach can be extended to finite temperatures without a significant increase in computational cost or algorithmic complexity. This has allowed us to directly compare quantum dynamical simulations with experimental results. Specifically, simulations of the linear vibronic coupling Hamiltonian, parameterised using ab initio electronic structure methods, were used to compute the absorption spectrum of the dye Methylene blue in water.

This study has elucidated certain unexplained features of the absorption and shown the how non-adiabatic dynamics resulting from a conical intersection can lead to intensity borrowing between bright and dark excited states. Several methodological advances are also made, including an improvement to the underlying time evolution method TDVP which brings with it an order of magnitude speed-up compared to existing methods.

Keywords : Open Quantum Systems, Tensor Networks

Jury

Mme Susana Huelga (Ulm university) - Reporter M. Johannes Schachenmayer (Université de Strasbourg) - Reporter Mme Michèle Desouter-Lecomte (ICP, Université Paris-Saclay) - Examinator M. Riccardo Spezia (LCT, Sorbonne Université) - Examinator M. David Reichman (Columbia University) - Examinator M. Alex Chin (INSP, Paris) - Supervisor