Manipuler l'information selon les lois de la physique quantique permet d'ameliorer l'efficacite avec laquelle on traite certains problemes. Les methodes de Resonance Magnetique Nucleaire en solution permettent d'initialiser, de manipuler et d'observer l'etat d'un systeme de spins 1/2 couples. ces methodes ont ete utilisees pour realiser experimentalement un petit processeur d'information quantique (QIP pour "Quantum Information processor") pouvant executer une centaine d'operations elementaires. un des themes principaux de ce travail a ete de concevoir, d'optimiser et de valiser des sequences d'impulsions necessaires pour "programmer" ce QIP. ces techniques ont ete utilises pour executer un algorithme quantique de simulation des systemes anyoniques. des resultats experimentaux pour la determination des energies propres et de fonctions de correlation d'un systeme illustratif de fermions sur reseaux ont ete obtenus permettant de valider l'algorithme de simulation dans son principe et son execution experimentale.
Manipuler l'information selon les lois de la physique quantique permet d'ameliorer l'efficacite avec laquelle on traite certains problemes. Les methodes de Resonance Magnetique Nucleaire en solution permettent d'initialiser, de manipuler et d'observer l'etat d'un systeme de spins 1/2 couples. ces methodes ont ete utilisees pour realiser experimentalement un petit processeur d'information quantique (QIP pour "Quantum Information processor") pouvant executer une centaine d'operations elementaires. un des themes principaux de ce travail a ete de concevoir, d'optimiser et de valiser des sequences d'impulsions necessaires pour "programmer" ce QIP. ces techniques ont ete utilises pour executer un algorithme quantique de simulation des systemes anyoniques. des resultats experimentaux pour la determination des energies propres et de fonctions de correlation d'un systeme illustratif de fermions sur reseaux ont ete obtenus permettant de valider l'algorithme de simulation dans son principe et son execution experimentale.
Cette thèse porte sur des techniques de contrôle optimal pour des systèmes issus de la mécanique quantique et de la résonance magnétique nucléaire. Le travail présenté dans ce mémoire est divisé en quatre parties.Dans la première partie, nous nous sommes intéressés au contrôle optimal simultané de l’équation de Schrödinger dépendante du temps via un champ laser qui représente le contrôle et que nous supposons soumis à une famille de perturbations. Ceci nous conduit à considérer un problème d’optimisation multi-critère via l’introduction d’un ensemble de fonctionnelles de coût à minimiser (au sens de Pareto).Dans la deuxième partie, nous étudions le cadre mathématique de l’équation de Bloch périodique. Les conditions d’optimalité nécessaires du premier ordre sont étudiées. Plus précisément, nous prouvons l’existence d’une solution périodique, ainsi que l’existence d’un optimum.Dans la troisième partie, nous présentons un nouvel algorithme d’optimisation pour les dynamiques périodiques. Cet algorithme est appliqué à la maximisation du signal sur bruit en résonance magnétique nucléaire. Le travail réalisé est ici avant tout numérique et algorithmique. Il s’agit à notre connaissance du premier algorithme de contrôle quantique permettant de considérer des dynamiques périodiques en temps. Nous avons montré l’efficacité de cette méthode pour le cas d’un système de spins homogènes et inhomogènes.La dernier partie permet de présenter l’algorithme de Shinnar-Le-Roux (SLR) qui est une méthode d’optimisation analytique. Des résultats numériques ont été réalisés en comparant cette méthode avec une méthode itérative de type GRAPE introduite dans les chapitres précédents. Le résultat de cette comparaison donne un avantage à l’algorithme SLR.
Programmation et apprentissage des processeurs quantiques Les avancées significatives en physique atomique, moléculaire et optique qui ont car-actérisé les dernières décennies nous ont offert une multitude de systèmes quantiques àN corps hautement contrôlables. Ce sont des plateformes prometteuses pour réaliser desprocesseurs quantiques, c’est-à-dire des systèmes quantiques qui peuvent être program-més pour simuler la dynamique d’un modèle cible ou pour résoudre des problèmes decalcul complexes. Tout en promettant des simulations quantiques à grande échelle et uncalcul quantique tolérant aux erreurs, cette nouvelle génération de processeurs quantiquessoulève également un certain nombre de défis théoriques. Dans cette thèse, nous nousconcentrons sur deux questions clés : (1) la programmation d’un système quantique avecdes interactions fixes pour réaliser des circuits quantiques et des dynamiques Hamiltoni-ennes, et (2) l’apprentissage de la structure de l’état d’un processeur quantique à partir dedonnées de mesure.Dans la première partie de cette thèse, nous présentons un protocole qui permet deréaliser des dynamiques Hamiltoniennes arbitraires et des circuits quantiques dans lessimulateurs quantiques programmables, en se basant sur le contrôle local de leurs degrésde liberté avec un champ exterieur. En particulier, nous montrons comment cela peut êtrefait via des impulsions temporelles mises au point analytiquement, et donnont des preuvesrigoureuses de garantie de performance. Nous illustrons les applications concrètes de ceprotocole par des exemples dans les contextes de la simulation quantique, de la correctiond’erreur quantique et de l’optimisation quantique. Enfin, inspirés par des travaux expéri-mentaux récents, nous considérons les effets de plusieurs imperfections expérimentales,démontrant ainsi que ces impulsions temporelles sont naturellement robustes. Ceci rendnotre protocole bien adapté aux expériences quantiques actuelles. Il en résulte une ap-proche prometteuse pour réaliser un processeur quantique universel dans des systèmesqui ne permettent pourtant pas un contrôle direct de leurs interactions.Dans la deuxième partie, nous développons de nouvelles méthodes pour caractériserl’état quantique d’un processeur quantique. Nous nous concentrons en particulier surles applications des mesures aléatoires, un formalisme récemment introduit qui permetd’estimer plusieurs propriétés d’un système quantique à partir des corrélations statistiquesentre des mesures quantiques effectuées dans des configurations aléatoires. Nous intro-duisons tout d’abord une quantité capable de classifier le comportement à grande échellede l’intrication dans les états mixtes, et qui peut être estimée à l’aide de mesures aléatoires.Nous étudions le comportement de cette quantité dans des ensembles d’états aléatoiresphysiquement pertinents et montrons comment elle peut être utilisée pour les distinguer.Nous introduisons ensuite une nouvelle méthode d’analyse des mesures aléatoires et mon-trons expérimentalement son application à l’estimation de l’intrication d’opérateurs (op-erator entanglement) dans la dynamique des ions piégés. Enfin, nous présentons un algo-rithme applicable à grande échelle et capable d’apprendre une représentation en termesdes réseaux des tenseurs d’un état quantique à partir de données de mesures aléatoires.Comme cette représentation est pertinente pour un état issu d’une dynamique unidimen-sionnelle bruitée et qu’elle est adaptée à un usage à grande échelle par les ordinateursclassique, cet algorithme est pertinent pour comparer les processeurs quantiques avec des centaines de qubits et pour évaluer l’avantage quantique. Ces résultats étendent la portéedes mesures aléatoires et découvrent de nouvelles applications dans les états quantiquesconstitués de nombreux qubits.
L’objectif de cette thèse est d’appliquer la théorie du contrôle optimal à la dynamique de systèmes quantiques. Le premier point consiste à introduire dans le domaine du contrôle quantique des outils de contrôle optimal initialement développés en mathématique. Cette approche a ensuite été appliquée sur différent types de systèmes quantiques décrit par une grande ou une petite dimension. La première partie du manuscrit introduit les différents outils de contrôles utilisés avec une approche adaptée à un public de physiciens. Dans la seconde partie, ces techniques sont utilisées pour contrôler la dynamique des spins en RMN et IRM. La troisième partie s’intéresse au développement de nouveaux algorithmes itératifs de contrôle optimal appliqués au contrôle par champ laser de la dynamique rotationnelle des molécules linéaires en phases gazeuse ainsi qu’au développement d’une stratégie de contrôle simple permettant de délocaliser une molécule dans un plan. La quatrième partie traite le contrôle en temps minimum d’un condensat de Bose-Einstein à deux composantes. La dernière partie permet de comparer qualitativement et quantitativement les différentes méthodes de contrôle optimal utilisées. Les seconde et troisième parties ont également bénéficier de l’implémentation expérimentale des solutions de contrôle optimal obtenues.
L'équation de Schrödinger polyélectronique régit l'évolution non relativiste des systèmes quantiques tels que les électrons, atomes et molécules. La chimie quantique ab initio consiste à trouver des solutions approximées de cette équation afin de prédire des propriétés moléculaires comme les longueurs de liaison, les spectres vibrationnels et les mécanismes réactionnels. Malgré les immenses progrès de la puissance de calcul, atteindre la précision chimique (une erreur d'énergie inférieure à 1 kcal/mol) reste exponentiellement coûteux pour les algorithmes classiques lorsque la taille du système augmente. Cette limite a conduit à envisager l'informatique quantique comme alternative pour la simulation moléculaire, les ordinateurs quantiques obéissant aux mêmes principes physiques que les systèmes simulés. Il a été établi que, sous certaines conditions, l'équation de Schrödinger moléculaire pouvait être résolue en temps polynomial sur un ordinateur quantique, permettant en principe une accélération exponentielle par rapport aux méthodes classiques. La concrétisation de cet avantage reste un problème ouvert et requiert des avancées tant matérielles (stabilité des processeurs) que algorithmiques (consommation de ressources). Ce dernier aspect constitue l'objectif principal de cette thèse. Trois défis fondamentaux sont identifiés: établir une correspondance et une discrétisation efficace entre le problème de structure électronique et les qubits; concevoir des algorithmes pour préparer de bonnes approximations de l'état fondamental ; décomposer les opérations quantiques en circuits implémentables à coût minimal. La première partie traite du court terme, où le faible nombre de qubits et le bruit limitent les opérations exécutables. Dans ce contexte, le Variational Quantum Eigensolver (VQE) et son extension adaptative ADAPT-VQE sont des références établies. Nous proposons plusieurs améliorations pour la construction adaptative d'ansätze. L'algorithme Greedy Gradient-Free Adaptive VQE simplifie le processus d'optimisation, réduisant considérablement la consommation de ressources et permettant même une démonstration sur un processeur de 25 qubits. La méthode Overlap-ADAPT-VQE introduit un schéma de compactification variationnelle qui reconstruit des approximations d'états quantiques cibles, permettant en chimie quantique d'accélérer significativement la convergence du VQE pour divers niveaux de corrélation électronique. Nous développons ensuite une stratégie d'initialisation des registres quantiques à partir de fonctions d'onde corrélées issues de calculs classiques, pour combiner calcul haute performance et post-traitement quantique. La seconde partie adopte une perspective de long terme centrée sur le comportement asymptotique des algorithmes. Nous présentons une décomposition de la porte NOT multi-contrôlée avec une profondeur de circuit polylogarithmique en nombre de qubits de contrôle, offrant une amélioration exponentielle sur les approches linéaires existantes. Enfin, nous proposons une méthode de chimie quantique en espace réel, compatible avec les algorithmes quantiques d'extraction de valeurs propres. L'objectif étant d'améliorer la convergence spatiale en remplaçant les discrétisations uniformes, utilisées dans la plupart des approches en première quantification, par des grilles non uniformes, adaptées à la molécule, qui concentrent les points de discrétisation dans les zones de forte densité électronique. Nous étendons cette stratégie aux hamiltoniens transcorrélés : des opérateurs qui régularisent les singularités du potentiel coulombien, et dont les fonctions propres sont lisses dans l'espace. Notre approche est plurielle, explorant tous les niveaux d'abstraction, de la théorie à l'implémentation, et couvrant des algorithmes exploitables sur des machines actuelles, et d'autres destinés aux architectures de long terme. Ces contributions renforcent les fondements des algorithmes quantiques pour la simulation moléculaire.
Algorithmes quantiques pour la chimie quantique ab initio : une approche à plusieurs échelles L'équation de Schrödinger polyélectronique régit l'évolution non relativiste des systèmes quantiques tels que les électrons, atomes et molécules. La chimie quantique ab initio consiste à trouver des solutions approximées de cette équation afin de prédire des propriétés moléculaires comme les longueurs de liaison, les spectres vibrationnels et les mécanismes réactionnels. Malgré les immenses progrès de la puissance de calcul, atteindre la précision chimique (une erreur d'énergie inférieure à 1 kcal/mol) reste exponentiellement coûteux pour les algorithmes classiques lorsque la taille du système augmente. Cette limite a conduit à envisager l'informatique quantique comme alternative pour la simulation moléculaire, les ordinateurs quantiques obéissant aux mêmes principes physiques que les systèmes simulés. Il a été établi que, sous certaines conditions, l'équation de Schrödinger moléculaire pouvait être résolue en temps polynomial sur un ordinateur quantique, permettant en principe une accélération exponentielle par rapport aux méthodes classiques. La concrétisation de cet avantage reste un problème ouvert et requiert des avancées tant matérielles (stabilité des processeurs) que algorithmiques (consommation de ressources). Ce dernier aspect constitue l'objectif principal de cette thèse. Trois défis fondamentaux sont identifiés: établir une correspondance et une discrétisation efficace entre le problème de structure électronique et les qubits; concevoir des algorithmes pour préparer de bonnes approximations de l'état fondamental ; décomposer les opérations quantiques en circuits implémentables à coût minimal. La première partie traite du court terme, où le faible nombre de qubits et le bruit limitent les opérations exécutables. Dans ce contexte, le Variational Quantum Eigensolver (VQE) et son extension adaptative ADAPT-VQE sont des références établies. Nous proposons plusieurs améliorations pour la construction adaptative d'ansätze. L'algorithme Greedy Gradient-Free Adaptive VQE simplifie le processus d'optimisation, réduisant considérablement la consommation de ressources et permettant même une démonstration sur un processeur de 25 qubits. La méthode Overlap-ADAPT-VQE introduit un schéma de compactification variationnelle qui reconstruit des approximations d'états quantiques cibles, permettant en chimie quantique d'accélérer significativement la convergence du VQE pour divers niveaux de corrélation électronique. Nous développons ensuite une stratégie d'initialisation des registres quantiques à partir de fonctions d'onde corrélées issues de calculs classiques, pour combiner calcul haute performance et post-traitement quantique. La seconde partie adopte une perspective de long terme centrée sur le comportement asymptotique des algorithmes. Nous présentons une décomposition de la porte NOT multi-contrôlée avec une profondeur de circuit polylogarithmique en nombre de qubits de contrôle, offrant une amélioration exponentielle sur les approches linéaires existantes. Enfin, nous proposons une méthode de chimie quantique en espace réel, compatible avec les algorithmes quantiques d'extraction de valeurs propres. L'objectif étant d'améliorer la convergence spatiale en remplaçant les discrétisations uniformes, utilisées dans la plupart des approches en première quantification, par des grilles non uniformes, adaptées à la molécule, qui concentrent les points de discrétisation dans les zones de forte densité électronique. Nous étendons cette stratégie aux hamiltoniens transcorrélés : des opérateurs qui régularisent les singularités du potentiel coulombien, et dont les fonctions propres sont lisses dans l'espace. Notre approche est plurielle, explorant tous les niveaux d'abstraction, de la théorie à l'implémentation, et couvrant des algorithmes exploitables sur des machines actuelles, et d'autres destinés aux architectures de long terme. Ces contributions renforcent les fondements des algorithmes quantiques pour la simulation moléculaire.
Les qubits de spin dans des boîtes quantiques sont des candidats prometteurs comme unités de base d'un ordinateur quantique en raison de leur long temps de cohérence. Une approche pour contrôler et manipuler ces qubits est de faire des mesures non destructives sur ceux-ci. Le couplage d'une boîte quantique avec une cavité micro-onde supraconductrice permet d'e ectuer ce type de mesures. Avant de commencer tout calcul quantique, il est nécessaire d'initialiser les qubits dans un état connu. Actuellement, la relaxation contrôlée par un bain thermique et la rétroaction conditionnelle sont deux techniques utilisées pour initialiser un qubit. Ces deux techniques nécessitent de travailler à des températures très basses de l'ordre des dizaines aux centaines de mK avec une délité limitée. En outre, comme les qubits de spin sont généralement des systèmes bien isolés, ils ont des temps de relaxation longs. Ceci fait en sorte qu'une approche passive d'attente que le qubit retourne dans son état fondamental sera typiquement longue, ce qui mènera à un temps d'initialisation appréciable dans un calcul quantique. L'objectif du présent travail est de développer une nouvelle approche active par asservissement qui permet d'atteindre toute délité, qui est rapide et qui permet de travailler à de plus hautes températures de l'ordre du Kelvin, ce qui est important expérimentalement et pour les développements actuels. Pour ce faire, on considère un qubit de spin couplé à un résonateur micro-onde supraconducteur. Le couplage est fait d'une manière dispersive. Ceci permet de réaliser des mesures non-destructives sur le qubit. Des simulations numériques montrent la validité de l'opérateur de mesure utilisé dans cette étude. Le contrôle du qubit se fait directement sur celui-ci en utilisant un opérateur de rotation. La loi de rétroaction consiste à calculer les paramètres de cet opérateur à chaque itération de la boucle de rétroaction. Les résultats numériques incluant la décohérence montrent la possibilité d'initialiser un qubit dans l'état|0i à l'intérieur d'un temps de 2 µs pour une délité minimale xée à 99.9 %.. L'approche est comparée aux méthodes usuelles de relaxation et de rétroaction conditionnelle qui donnent de moins bons résultat.