Ce mémoire est consacré à la théorie de l'information quantique et, en particulier, aux ordinateurs quantiques. Les ordinateurs quantiques utilisent le principe de superposition, l'interférence et la non localité pour mener à terme certains calculs beaucoup plus rapidement que leur contrepartie classique. Les quatre premiers chapitres de ce document sont écrits sous forme d'introduction pédagogique aux principes de base de l'informatique quantique. On y présente d'abord quelques conséquences des postulats de la théorie quantique sur la manipulation de l'information pour ensuite s'intéresser au concept même d'ordinateur quantique. On décrit par la suite le phénomène de décohérence et ses conséquences sur la manipulation de l'information quantique. Cette introduction à l'informatique quantique se termine par une présentation des techniques de correction quantique d'erreurs. On présente en particulier le code [[1, 9, 1]] de Shor et comment celui-ci peut venir à bout de la décohérence et des portes logiques imparfaites. On s'intéresse ensuite à une architecture d'ordinateur quantique basée sur les jonctions Josephson entre électrodes supraconductrices de type d (i.e. cuprate). Après avoir décrit les éléments de base de cette architecture, on expose une méthode permettant l'initialisation de l'ordinateur et la mesure de l'état des qubits. On montre ensuite comment freiner l'évolution des qubits passifs en utilisant une technique s'approchant de l'écho de spins en RMN. À l'aide de ce résultat, on montre finalement comment réaliser un ensemble complet de portes logiques quantiques sur ce système, prouvant par le fait même que cette architecture correspond à un ordinateur quantique universel.
Ce mémoire est consacré à la théorie de l'information quantique et, en particulier, aux ordinateurs quantiques. Les ordinateurs quantiques utilisent le principe de superposition, l'interférence et la non localité pour mener à terme certains calculs beaucoup plus rapidement que leur contrepartie classique. Les quatre premiers chapitres de ce document sont écrits sous forme d'introduction pédagogique aux principes de base de l'informatique quantique. On y présente d'abord quelques conséquences des postulats de la théorie quantique sur la manipulation de l'information pour ensuite s'intéresser au concept même d'ordinateur quantique. On décrit par la suite le phénomène de décohérence et ses conséquences sur la manipulation de l'information quantique. Cette introduction à l'informatique quantique se termine par une présentation des techniques de correction quantique d'erreurs. On présente en particulier le code [[1, 9, 1]] de Shor et comment celui-ci peut venir à bout de la décohérence et des portes logiques imparfaites. On s'intéresse ensuite à une architecture d'ordinateur quantique basée sur les jonctions Josephson entre électrodes supraconductrices de type d (i.e. cuprate). Après avoir décrit les éléments de base de cette architecture, on expose une méthode permettant l'initialisation de l'ordinateur et la mesure de l'état des qubits. On montre ensuite comment freiner l'évolution des qubits passifs en utilisant une technique s'approchant de l'écho de spins en RMN. À l'aide de ce résultat, on montre finalement comment réaliser un ensemble complet de portes logiques quantiques sur ce système, prouvant par le fait même que cette architecture correspond à un ordinateur quantique universel.
La recherche en informatique quantique a pris de l’ampleur dans les deux dernières décennies, notamment grâce aux financements massifs des gouvernements et de l’industrie dans les technologies quantiques. L’ordinateur quantique promet de résoudre des problèmes qui jusqu’à présent restaient insurmontables à cause du temps déraisonnable qu’il faudrait pour les résoudre sur les ordinateurs classiques les plus puissants. L’idée de l’ordinateur quantique consiste à utiliser des propriétés quantiques de la matière, telles que l’intrication et la superposition quantique des états, pour effectuer des calculs d’une nouvelle manière. L’informatique quantique requiert un nouveau type d’ordinateur où les bits d’information classique, généralement représentés par la présence ou non de courant à l’entrée d’un transistor, sont remplacés par des bits quantiques aussi appelés qubits, et qui sont représentés par l’état d’un système quantique. De plus, il est nécessaire de développer de nouveaux algorithmes capables d’être implémentés sur un ordinateur quantique et capables de tirer parti de l’avantage quantique. Cette thèse porte sur ces deux composantes complémentaires : la construction de portes logiques, un bloc fondamental de tout ordinateur, et la création de meilleurs algorithmes pour résoudre des problèmes pertinents sur ces machines. Parmi les plateformes les plus avancées pour l’ordinateur quantique, on trouve les circuits supraconducteurs, qui sont la plateforme sur laquelle ont misé Google, IBM, Alice&Bob, Nord Quantique et bien d’autres compagnies. Malgré les avancées des dernières décennies, de nombreux défis restent à être relevés pour que les machines existantes soient en mesure de résoudre des problèmes pertinents et surpassent les ordinateurs classiques. L’un des défis auquel cette thèse s’attaque est la réalisation de portes logiques à deux qubits rapides et à haute fidélité. La rapidité est cruciale pour pouvoir réaliser le plus d’opérations possible avant que les qubits ne perdent leur cohérence quantique, et une haute fidélité est requise pour minimiser les erreurs de calcul et permettre d’implémenter de la correction d’erreurs quantiques. De plus, certains qubits supraconducteurs sont connus pour être affectés par une interaction indésirable, l’interaction ZZ qui, même si relativement faible, affecte la fidélité des portes logiques quantiques, empêchant d’atteindre des fidélités supérieures à 99.9% nécessaires à la correction d’erreurs. En parallèle avec l’amélioration des composantes de l’ordinateur quantique, il est important de développer des applications pour ce nouveau type de machine. Parmi les approches étudiées, les algorithmes quantiques variationnels (VQA) sont ceux qui sont les plus susceptibles d’être déployés sur les ordinateurs quantiques de petites tailles existants. Ce sont des algorithmes hybrides qui nécessitent à la fois de la puissance de calcul classique et quantique. Ces algorithmes semblent prometteurs pour résoudre de nombreux problèmes concrets d’intérêt industriel, comme obtenir les propriétés de molécules ou trouver les solutions de problèmes d’optimisation combinatoire. En effet, ces problèmes peuvent être formulés sous forme d’un Hamiltonien et résolus en déterminant son état fondamental. Dans ce but, les VQAs utilisent un circuit quantique paramétré appelé ansatz, dont les paramètres sont optimisés pour s’approcher de l’état fondamental. Un premier défi consiste à trouver un ansatz qui permette, pour un problème donné, de converger le plus efficacement possible vers la solution. Un deuxième défi est de trouver un circuit fait de portes logiques facilement implémentables sur les plateformes physiques actuelles. Les travaux effectués dans cette thèse apportent des contributions à ces deux défis. Dans la première partie de la thèse, nous introduisons le dispositif que nous avons conçu et qui permet de réaliser des portes d’intrication paramétrique entre deux qubits supraconducteurs. Cette approche a permis à nos collaborateurs du groupe d’Andrew Houck de l’Université de Princeton de réaliser expérimentalement une opération de type √iSWAP en 15 ns avec une fidélité de 98.8%, et ce dans un dispositif où l’interaction ZZ est supprimée. Dans la seconde partie de la thèse, nous avons développé un ansatz pour les VQAs permettant de résoudre le modèle de Fermi Hubbard. Ce nouvel ansatz utilise les avantages de deux ansätze préexistants, et permet d’obtenir l’énergie et l’état fondamental du FHM avec une précision de plusieurs ordres de grandeur supérieure aux ansätze standards, et ce en réduisant significativement le nombre de portes d’intrication CNOT qui sont généralement imparfaites et longues à implémenter.
Ce mémoire est consacré à la théorie de l'information quantique et, en particulier, certains systèmes de traitement d’information quantique. On se propose d’étudier ces systèmes en parallèle avec le développement de certains algorithmes utilisés dans le contexte d’informatique quantique. Le but est de comprendre le fonctionnement de ces nouveaux systèmes et les différents mécanismes qui sont à la base de la réalisation des circuits quantiques qui constitueront le support futur de traitement de l’information. La réalisation d’un système de traitement de l’information quantique, présente toutefois de nombreux défis. Dans ce document, on s’intéresse à différents aspects concernant ces défis.L'information quantique se situe au croisement des sciences de l'information et de la physique quantique. Son principal objectif consiste à exploiter les propriétés de la physique quantique pour traiter l'information plus efficacement que les techniques conventionnelles liées à l’information classique. Récemment, le développement et la réalisation de circuits d’électronique quantique avec le développement de certains portes logiques à caractère quantique, a conduit à la découverte de nouveaux algorithmes qui ont changé d’une façon profonde les principes de traitement de l’information. Les plus connus de ces algorithmes quantiques sont ceux de Grover, de Shor et de Deutsch-Jozsa.Dans cette thèse, on s’intéresse à l'étude de la nouvelle théorie d’électrodynamique quantique en cavité et en circuit, en montrant comment appliquer une méthode basée sur l'interaction qubit-qubit pour réaliser des portes logiques quantiques.Le travail développé dans cette thèse montre une nouvelle approche de l’implémentation de l’algorithme de recherche quantique de Grover à plusieurs qubits dans la cavité QED dans le cas de l’interaction dipôle-dipôle. Pour bien réaliser l’implémentation dans la cavité, nous considérons un résonateur de Fabry-Pérot avec un mode unique et un modèle d'onde stationnaire au long de l'axe de cavité.Finalement, nous nous intéressons à montrer comment l'algorithme de Grover peut être implémenté dans le cas de l'interaction qubit-qubit avec: deux qubits transmon en circuit QED et deux qubits supraconducteurs dans une cavité QED, entraînée par un champ fort de la microonde avec une forte fréquence de Rabi Ω. Dans notre système. Des simulations numériques peuvent être effectuées.
La théorie du calcul quantique se situe à la frontière de la physique quantique et de l’informatique. Par conséquent, les deux domaines contribuent à la rendre d’autant plus riche en apportant leurs propres méthodes et outils mathématiques. La présente thèse tente de mettre en évidence cette particularité en traitant des problématiques qui vont la physique expérimentale aux modèles de calcul. Le but est d’offrir de nouvelles possibilités pour démontrer un avantage quantique. Après une brève introduction aux notions de base de la mécanique quantique, certains aspects liés à l’informatique sont discutés. Le formalisme des classes de complexité quantiques ainsi que le concept du calcul quantique en variables continues sont décrits. Ensuite, le modèle connu comme instantaneous quantum computing est traduit en variables continues, le rendant attrayant d’un point de vue expérimental. Le chapitre conclut sur une discussion concernant un protocole hybride impliquant l’algorithme de Grover dans le cadre des communications quantiques. La dernière partie de la thèse s’intéresse à des problématiques issues de la physique expérimentale. Le lien entre l’effet Hong-Ou-Mandel et la fonction de Wigner d’un état à deux photons est mise en évidence, et un protocole expérimental est décrit en conséquence. La suite traite du domaine des circuits supraconducteurs et envisage de possibles expériences. Il est montré comment utiliser un qubit de flux pour manipuler un centre coloré du diamant. Il est également décrit comment sonder le modèle de Rabi dans le régime de couplage ultra fort en utilisant un qubit supplémentaire faiblement couplé.
Depuis sa formulation, la théorie de l'information a été basée, implicitement, sur les lois de la physique classique. Une telle formulation est toutefois incomplète puisqu'elle ne tient pas compte de la réalité quantique. Au cours des vingt dernières années, l'expansion de la théorie de l'information, de façon à englober les effets purement quantiques, a connu un intérêt grandissant. La réalisation d'un système de traitement de l'information quantique, un ordinateur quantique, présente toutefois de nombreux défis. Dans cet ouvrage, on s'intéresse à différents aspects concernant ces défis. On commence par présenter des concepts algorithmiques comme l'optimisation de calculs quantiques et le calcul quantique géométrique. Par la suite, on s'intéresse à différents designs et aspects de l'utilisation de qubits basés sur les jonctions Josephson. On présente entre autres une approche originale pour l'interaction entre qubits. Cette approche est très générale puisqu'elle peut être appliquée à différents designs de qubits. Finalement, on s'intéresse à la lecture des qubits supraconducteurs de flux. Le détecteur suggéré ici a l'avantage de pouvoir être découplé du qubit lorsqu'il n'y a pas de mesure en cours.
Les circuits supraconducteurs représentent une plateforme de choix pour le développement de technologies quantiques en raison de leurs propriétés de cohérence et de notre habilité à concevoir et à manipuler leur dynamique quantique de manière flexible. La réalisation de technologies ayant le potentiel de s’avérer utiles pour la société, telles qu’un ordinateur quantique tolérant aux fautes, nécessite cependant d’augmenter considérablement notre capacité à réaliser des opérations quantiques spécifiques sur ces systèmes et ce sans engendrer d’erreurs. Pour ce faire, il est nécessaire d’améliorer à la fois notre caractérisation, notre modélisation et notre contrôle des dispositifs quantiques afin d’être en mesure de comprendre et d’atténuer de façon pratique les sources d’erreurs qui limitent les performances actuelles. Mes travaux s’attaquent à cette problématique en développant de nouvelles approches pour sonder les qubits supraconducteurs, pour utiliser l’information acquise afin de concevoir des descriptions simplifiées de leur fonctionnement et de leurs imperfections, puis finalement pour optimiser nos contrôles externes sur ces modèles afin de réaliser des opérations avec des erreurs minimales. Plus spécifiquement, je me suis d’abord intéressé à la modélisation et à la simulation de la première expérience de correction d’erreurs quantiques avec des qubits supraconducteurs, laquelle a été réalisée dans le groupe d’Andreas Wallraff à l’ETH Zürich. Notre description numérique de cette expérience impliquant 17 qubits a permis de démontrer notre compréhension des résultats expérimentaux en plus d’étudier l’effet des différentes sources d’erreurs qui devront être mitigées dans les expériences futures. Dans l’objectif de contribuer concrètement à la réalisation d’opérations quantiques avec de meilleures fidélités, j’ai ensuite développé une méthodologie combinant l’apprentissage automatique et le contrôle optimal quantique. Cette approche a le potentiel de s’avérer fort utile en raison de sa simplicité d’utilisation et de son efficacité, lesquelles sont démontrées ici sur le contrôle d’un qubit supraconducteur. En collaboration avec le groupe de recherche chez Google Quantum AI, je me suis ensuite intéressé à la caractérisation précise des opérations réalisées sur des dispositifs comportant des dizaines de qubits. Nous avons développé deux protocoles qui sont robustes et très efficaces afin d’extraire une description des portes logiques qui peut directement être utilisée afin de calibrer ces opérations. Finalement, j’ai contribué à la conception d’une approche numérique permettant de résoudre des problèmes arbitraires d’optimisation sur les dynamiques de grands systèmes quantiques ouverts. Cette méthode possède un coût en mémoire minimal, ce qui nous permet de nous attaquer à des problèmes de contrôle optimal qui étaient autrement inaccessibles, comme l’optimisation de la mesure dispersive d’un qubit supraconducteur décrite par un modèle réaliste. Somme toute, mes travaux présentent plusieurs exemples où une approche basée sur un modèle et une compréhension physique nous permet de combiner la caractérisation au contrôle afin de contribuer concrètement au développement de technologies quantiques.
Les circuits supraconducteurs constituent aujourd’hui une architecture prometteuse vers la réalisation d’un ordinateur quantique universel. Cependant, avant qu’un tel ordinateur voie le jour, plusieurs défis doivent être surmontés autant au niveau matériel que logiciel. Les circuits supraconducteurs forment aussi une architecture intéressante pour la réalisation d’expériences fondamentales en optique quantique grâce aux jonctions Josephson qui permettent aux photons micro-ondes d’interagir directement entre eux. Dans cette thèse, j’ai abordé certains des grands défis du domaine des circuits supraconducteurs dans le contexte de l’informatique quantique et de l’optique quantique micro-onde. Je me suis tout d’abord intéressé à la détection de photons micro-ondes uniques (chapitre 3). Avec mes collaborateurs, nous avons ainsi proposé deux méthodes pour réaliser un détecteur de photons uniques à grande efficacité quantique. Une de ces méthodes se base sur un ensemble de qubits supraconducteurs (section 3.2), tandis que l’autre promet une large bande de détection en se basant sur un métamatériau unidimensionnel (section 3.3). La réalisation expérimentale de ces propositions permettrait d’ajouter une pièce importante dans la boîte à outils de l’optique quantique micro-onde. Je me suis ensuite penché sur la correction d’erreurs dans les qubits supraconducteurs (section 4). Plus précisément, j’ai développé un circuit expérimentalement compact permettant de mesurer les propriétés d’un ensemble de qubits, une opération essentielle pour les techniques de correction d’erreurs quantiques. Finalement, j’ai consacré une partie de mon doctorat à modéliser des expériences effectuées dans le groupe d’Andreas Wallraff à l’ETH Zürich (chapitre 5). Nous avons ainsi réalisé trois expériences basées sur un couplage variable de type Raman entre un qubit supraconducteur et un résonateur micro-onde. Dans la première expérience, nous avons réalisé le premier transfert d’état quantique déterministe entre deux qubits supraconducteurs distants (section 5.2). Nous avons ensuite amélioré cette expérience en utilisant un code de détection d’erreur pour transférer l’information quantique de manière plus robuste entre les deux qubits (section 5.3). Ces expériences représentent une étape importante vers la réalisation d’une architecture modulaire de l’ordinateur quantique. Finalement, nous avons développé une méthode pour rapidement initialiser des qubits supraconducteurs dans leur état fondamental (section 5.4), une opération essentielle de l’ordinateur quantique.