Cette thèse, ayant pour thème les algorithmes de la chimie quantique, s'inscrit dans le cade du changement de paradigme observé depuis une douzaines d'années, dans lequel les \nméthodes de calcul séquentielles se doivent d'être progressivement remplacées par des méthodes parallèles. En effet, l'augmentation de la fréquences des processeurs se heurtant à des barrières physiques difficilement franchissables, l'augmentation de la puissance de calcul se fait par l'augmentation du nombre d'unités de calcul. \nToutefois, là où une augmentation de la fréquence conduisait mécaniquement à une exécution plus rapide d'un code, l'augmentation du nombre de cœurs peut se heurter à des \nbarrières algorithmiques, qui peuvent nécessiter une adaptation ou un changement d'algorithme. Parmi les méthodes développées afin de contourner ce problème, on trouve en \nparticulier celles de type Monte-Carlo (stochastiques), qui sont intrinsèquement "embarrassingly parallel", c'est à dire qu'elles sont par construction constituées d'une multitudes de tâches indépendantes, et de ce fait particulièrement adaptées aux architectures massivement parallèles. Elles ont également l'avantage, dans de nombreux cas, d'être capables de produire un résultat approché pour une fraction du coût calculatoire de l'équivalent déterministe exacte. Lors de cette thèse, des implémentations massivement parallèles de certains algorithmes déterministes de chimie quantique ont été réalisées. Il s'agit des algorithmes suivants : CIPSI, diagonalisation de Davidson, calcul de la perturbation au second ordre, shifted-Bk, et Coupled Cluster Multi Références. Pour certains, une composante stochastique a été \nintroduite en vue d'améliorer leur efficacité. Toutes ces méthodes ont été implémentées sur un modèle de tâches distribuées en TCP, où un processus central distribue des tâches par le réseau et collecte les résultats. En d'autres termes, des nœuds esclaves peuvent être ajoutés au cours du calcul depuis n'importe quelle machine accessible depuis \ninternet. L'efficacité parallèle des algorithmes implémentés dans cette thèse a été étudiée, et le programme a pu donner lieu à de nombreuses applications, notamment pour permettre d'obtenir des énergies de références pour des systèmes moléculaires difficiles.
Cette thèse, ayant pour thème les algorithmes de la chimie quantique, s'inscrit dans le cade du changement de paradigme observé depuis une douzaines d'années, dans lequel les \nméthodes de calcul séquentielles se doivent d'être progressivement remplacées par des méthodes parallèles. En effet, l'augmentation de la fréquences des processeurs se heurtant à des barrières physiques difficilement franchissables, l'augmentation de la puissance de calcul se fait par l'augmentation du nombre d'unités de calcul. \nToutefois, là où une augmentation de la fréquence conduisait mécaniquement à une exécution plus rapide d'un code, l'augmentation du nombre de cœurs peut se heurter à des \nbarrières algorithmiques, qui peuvent nécessiter une adaptation ou un changement d'algorithme. Parmi les méthodes développées afin de contourner ce problème, on trouve en \nparticulier celles de type Monte-Carlo (stochastiques), qui sont intrinsèquement "embarrassingly parallel", c'est à dire qu'elles sont par construction constituées d'une multitudes de tâches indépendantes, et de ce fait particulièrement adaptées aux architectures massivement parallèles. Elles ont également l'avantage, dans de nombreux cas, d'être capables de produire un résultat approché pour une fraction du coût calculatoire de l'équivalent déterministe exacte. Lors de cette thèse, des implémentations massivement parallèles de certains algorithmes déterministes de chimie quantique ont été réalisées. Il s'agit des algorithmes suivants : CIPSI, diagonalisation de Davidson, calcul de la perturbation au second ordre, shifted-Bk, et Coupled Cluster Multi Références. Pour certains, une composante stochastique a été \nintroduite en vue d'améliorer leur efficacité. Toutes ces méthodes ont été implémentées sur un modèle de tâches distribuées en TCP, où un processus central distribue des tâches par le réseau et collecte les résultats. En d'autres termes, des nœuds esclaves peuvent être ajoutés au cours du calcul depuis n'importe quelle machine accessible depuis \ninternet. L'efficacité parallèle des algorithmes implémentés dans cette thèse a été étudiée, et le programme a pu donner lieu à de nombreuses applications, notamment pour permettre d'obtenir des énergies de références pour des systèmes moléculaires difficiles.
Développement et implémentation parallèle de méthodes d'interaction de configurations sélectionnées Cette thèse, ayant pour thème les algorithmes de la chimie quantique, s'inscrit dans le cade du changement de paradigme observé depuis une douzaines d'années, dans lequel les méthodes de calcul séquentielles se doivent d'être progressivement remplacées par des méthodes parallèles. En effet, l'augmentation de la fréquences des processeurs se heurtant à des barrières physiques difficilement franchissables, l'augmentation de la puissance de calcul se fait par l'augmentation du nombre d'unités de calcul. Toutefois, là où une augmentation de la fréquence conduisait mécaniquement à une exécution plus rapide d'un code, l'augmentation du nombre de cœurs peut se heurter à des barrières algorithmiques, qui peuvent nécessiter une adaptation ou un changement d'algorithme. Parmi les méthodes développées afin de contourner ce problème, on trouve en particulier celles de type Monte-Carlo (stochastiques), qui sont intrinsèquement "embarrassingly parallel", c'est à dire qu'elles sont par construction constituées d'une multitudes de tâches indépendantes, et de ce fait particulièrement adaptées aux architectures massivement parallèles. Elles ont également l'avantage, dans de nombreux cas, d'être capables de produire un résultat approché pour une fraction du coût calculatoire de l'équivalent déterministe exacte. Lors de cette thèse, des implémentations massivement parallèles de certains algorithmes déterministes de chimie quantique ont été réalisées. Il s'agit des algorithmes suivants : CIPSI, diagonalisation de Davidson, calcul de la perturbation au second ordre, shifted-Bk, et Coupled Cluster Multi Références. Pour certains, une composante stochastique a été introduite en vue d'améliorer leur efficacité. Toutes ces méthodes ont été implémentées sur un modèle de tâches distribuées en TCP, où un processus central distribue des tâches par le réseau et collecte les résultats. En d'autres termes, des nœuds esclaves peuvent être ajoutés au cours du calcul depuis n'importe quelle machine accessible depuis internet. L'efficacité parallèle des algorithmes implémentés dans cette thèse a été étudiée, et le programme a pu donner lieu à de nombreuses applications, notamment pour permettre d'obtenir des énergies de références pour des systèmes moléculaires difficiles.
Les methodes variationnelles se sont revelees etre de puissants outils pour evaluer des quantites physiques dans des systemes de mecanique quantique ayant un nombre fini des degres de liberte, dans les cas ou la theorie des perturbations est inapplicable. Les applications de ces methodes, notamment en physique atomique, nucleaire et du solide, ont donne d'excellents resultats. Par consequent, il est tentant d'essayer de les adapter dans le cadre de la theorie quantique des champs. La premiere partie de ce travail consiste a introduire une nouvelle approche variationnelle-perturbative applique a un systeme de mecanique quantique bien connu: l'oscillateur anharmonique. De maniere tout a fait remarquable, cette methode a fourni une amelioration de sept ordres de grandeur a la precision caracteristique des resultats de hartree-fock. D'un autre cote, cette nouvelle methode semble etre bien adaptee pour des calculs de theorie quantique de champs. On espere qu'en combinant les estimations variationnelles avec le developpement perturbatif et la theorie de renormalisation, on pourra obtenir des reponses variationnelles finies. La deuxieme partie de ce travail est consacree a cet objectif. On a donc applique cette strategie a un modele non trivial et renormalisable a deux dimensions a savoir le modele de gross-neveu. On a trouve donc que les reponses variationnelles de diverses quantites physiques ne presentent pas des divergences. De plus, ces resultats sont assez raisonnables, si on les compare avec les resultats exacts de la litterature, et peuvent s'ameliorer de facon systematique
Les méthodes de calcul numérique constituent des outils incontournables pour suppléer les travaux de recherche expérimental sur des problématiques de chimie-physique, leur diversité et accessibilité permettant l'exploration d'un grand nombre de systèmes. À l'équilibre thermodynamique, les propriétés de l'état électronique fondamental d'une molécule ou d'un solide peuvent ainsi être étudiées à l'aide de méthodes ab initio reposant sur l'évaluation de la fonction d'onde électronique ou encore s'appuyant sur la théorie fonctionnelle de la densité électronique (DFT). Parmi les nombreuses interactions, les effets d'échange et de corrélation électronique sont les plus complexes à évaluer. Des approches avancées, telles que le Monte Carlo quantique (QMC) ou le Cluster Couplé (CC), sont en mesure de fournir une description précise de ces interactions mais à un coût de calcul élevé, limitant leur application aux systèmes les plus simples. Ainsi, le rapport entre précision atteinte et coût numérique consacré représente un critère déterminant dans le choix des méthodes. Cette recherche de compromis aura représenté une composante essentielle dans l'établissement de ce travail de thèse. Sur un système en apparence simple — le dimère d'hydrogène (H2)2 — nous avons constaté que seules les méthodes avec une description avancée des interactions d'échange et de corrélation sont en mesure de fournir une description satisfaisante de sa surface d'énergie potentielle. Si certaines méthodes moins avancées donnent de bons résultats autour de la géométrie d'équilibre, elles échouent à décrire la surface d'énergie potentielle lorsque la distance intermoléculaire du dimère est comprimée à des valeurs comparables à celle observée dans les phases solides de l'hydrogène formées sous des pressions de l'ordre du mégabar. Parmi l'ensemble des méthodes testées, les méthodes fondées sur l'approximation de phase aléatoire (RPA) sont celles offrant le meilleur ratio précision-coût. Cette observation, en accord avec des travaux que nous avons conduits antérieurement à cette thèse sur la transition de phase II-III de l'hydrogène solide, nous a amené à envisager l'extension de ces méthodes au calcul de grandeurs physiques autres que l'énergie. De ce point de vue, la détermination des forces atomiques se montre pertinente car leur connaissance permet de comprendre l'évolution d'un système, d'identifier sa géométrie d'équilibre ou encore de calculer ses modes de vibrations harmoniques. Nous avons donc cherché à implémenter le calcul analytique des forces pour la méthode RPA au sein de l'extension ACFDT du code Quantum ESPRESSO, qui a recours à des ondes planes et à un formalisme DFT. Ce travail a été effectué avec succès dans deux cas distincts, avec et sans résolution auto-cohérente des équations de Kohn-Sham. Du fait du formalisme DFT, une résolution auto-cohérente des équations de Kohn-Sham nécessite d'obtenir le potentiel d'échange-corrélation RPA via un potentiel effectif optimisé (OEP). Dans les deux cas, des forces de bonne qualité ont pu être calculées. Leur utilisation au niveau RPA montre une amélioration systématique des propriétés structurelles et des fréquences des modes de vibrations de molécules et solides par rapport aux méthodes DFT moins avancées. Le formalisme de calcul du potentiel d'échange exact étant similaire entre les méthodes RPA et celles de DFT hybrides, nous avons également été en mesure d'étendre l'implémentation des forces à ces dernières. Nous avons pu mettre en évidence qu'une résolution auto-cohérente des équations de Kohn-Sham n'est souvent pas nécessaire pour pouvoir calculer les différentes propriétés découlant de l'évaluation des forces atomiques. Ce travail ouvre la voie à une application plus étendue des méthodes de DFT hybrides et RPA pour le calcul de davantage de quantités physiques.
Le calcul quantique est nouveau paradigme qui sera peut-être en capacité de résoudre certains problèmes intéressants et très spécifiques plus vite qu'un ordinateur classique. Mais pour atteindre le régime dans lequel les ordinateurs quantiques seront plus efficaces que leurs équivalents classiques, plusieurs étapes cruciales doivent être atteintes. Les taux d'erreur des puces quantiques actuelles doivent être drastiquement améliorés, tout comme leur nombre de qubits, les algorithmes doivent évoluer pour prendre en compte le taux d'erreur élevé des puces, les compilateurs et implémentations doivent être adaptés à la puce quantique qui sera utilisée pour l'exécution et les façons d'analyser des états ou programmes quantiques nécessitent des améliorations.Dans cette thèse, nous nous concentrons sur certaines de ces étapes et améliorons l'état de l'art en essayant de se rapprocher le plus possible du régime où les ordinateurs quantiques auront un avantage sur les ordinateurs classiques. Nous commençons par montrer comment nous avons implémenté un algorithme quantique non trivial et analysé son comportement ainsi que les ressources nécessaires à son exécution.Cette analyse a confirmé que les puces quantiques actuelles étaient incapables d'exécuter ce genre d'implémentation, même après avoir pris en compte les subtilités dues au matériel et optimisé grandement le programme. Cet effort d'optimisation a donné lieu à l'implémentation de l'outil qprof, un profileur de programme quantique capable d'analyser des implémentations et de générer un rapport textuel et lisible résumant la hiérarchie des appels et leur coût approximatif.Nous présentons aussi un algorithme classique pour résoudre le problème du routage de qubit, une des étapes les plus coûteuse en terme de porte quantique additionnelle dans les compilateurs de programme quantiques. Cet algorithme permet de prendre en compte les calibrations les plus récentes de la puce quantique visée afin d'adapter le programme quantique compilé aux différents taux d'erreurs de la puce. Nous décrivons comment l'algorithme fonctionne et montrons qu'il apporte une amélioration substantielle de la fidélité de l'état quantique créé par le programme compilé par rapport à l'état de l'art.Nous avons aussi implémenté un algorithme variationnel permettant de résoudre des systèmes linéaires et analysé son comportement sur des puces quantiques actuelles ainsi que les besoins en ressources quantiques afin d'exécuter cet algorithme avec différents systèmes linéaires. Finalement, nous avons effectué une étude sur les erreurs présentes sur des qubits isolés et introduit une nouvelle visualisation permettant de mettre en avant des erreurs systématiques et non mitigées par les calibrations automatiques réalisées à intervalles réguliers sur les puces quantiques.
Introduite il y a une vingtaine d'années, l'informatique quantique promet d'accélérer de manière spectaculaire la résolution de certains problèmes en proposant un nouveau moyen physique de calculer. L'un des avantages principaux des ordinateurs quantiques est qu'ils permettent de simuler efficacement des systèmes quantiques physiques, sans se heurter à la croissance exponentielle des ressources nécessaires. Cette étude montre qu'une dynamique complexe peut être simulée de manière fiable et efficace sur un ordinateur quantique réaliste. Des algorithmes quantiques sont présentés pour simuler deux modèles importants du chaos quantique, le rotateur pulsé quantique et le modèle de Harper pulsé, qui ont des applications en physique atomique et physique du solide. Les méthodes employées se généralisent à toute une classe de modèles, les applications pulsées. Les effets de petites erreurs unitaires ou d'imperfections statiques sur ces modèles ont été caractérisés. Il a été ainsi mis en évidence que certaines quantités physiques sont robustes face à des imperfections modérées, alors que d'autres y sont très sensibles. Le comportement de ces quantités en présence d'erreur dépend également du jeu de paramètres considéré. De même, selon le régime des quantités physiques peuvent être extraites efficacement, avec un gain au moins polynomial par rapport à une simulation sur un ordinateur classique. La plupart des algorithmes présentés ici sont très économes, applicables avec un petit nombre de qubits, et demandent un nombre de portes qui varie polynomialement avec la taille du registre. Ils sont donc bien adaptés pour une implémentation expérimentale dans les prochaines années.
La méthode de Brisure de Symétrie/Restauration de Symétrie est un outil largement utilisé pour traiter un ensemble de particules en interaction. Cette méthode permet souvent d'améliorer l'approximation de l'énergie de l'état fondamental d'un Hamiltonien dans un cadre variationnel. Dans cette technique, certaines symétries du système sont brisées intentionnellement dans la fonction d'onde utilisée lors de la recherche de l'état fondamental. Ce processus permet de capturer des corrélations complexes entre les particules à un coût numérique plus faible par rapport à un cadre qui préserve ces symétries. Étant donné que le véritable état fondamental doit respecter les symétries du problème, une étape de restauration de symétrie est a priori nécessaire pour revenir dans le sous-espace approprié de l'espace de Hilbert total.Cette thèse examine comment mettre en œuvre le schéma de Brisure de Symétrie/Restauration de Symétrie à l'aide d'ordinateurs quantiques. L'algorithme quantique que nous utilisons pour la composante variationnelle est la méthode de ``Variational Quantum Eigensolver (VQE)". Son but est de préparer une approximation de l'état fondamental en utilisant une fonction d'onde paramétrisée afin de minimiser l'énergie associée au Hamiltonien. L'ansatz quantique de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) a été utilisé comme ansatz brisant les symétries, et les techniques développées ont été testées en utilisant les Hamiltoniens d'appariement et le modèle de Hubbard. Nous avons également utilisé la transformation de Jordan-Wigner pour encoder les opérateurs présents dans le Hamiltonien. Avec ces outils, à l'instar des calculs sur ordinateurs classiques, deux manières d'utiliser le processus de Brisure de Symétrie/Restauration de Symétrie en conjonction avec la méthode VQE sont développés : nous pouvons varier les paramètres d'un ansatz de Brisure de Symétrie avant ou après la restauration de symétrie. La première approche est identifiée comme Projection Quantique Après Variation, tandis que la dernière est nommée Variation Quantique Après Projection.L'un des aboutissements de cette thèse est le développement de diverses techniques pour la restauration de symétrie. Certaines d'entre elles sont basées sur l'algorithme d'Estimation de Phase Quantique (QPE), ce qui comprend les méthodes de QPE itérative et de Rodéo. Nous avons également étudié d'autres techniques basées sur le concept ``d'Oracles quantiques", telles que les méthodes Oracle+Hadamard et Grover-Hoyer. L'algorithme de Combinaison Linéaire d'opérateurs Unitaires a été utilisé pour implémenter directement soit la projection, soit l'oracle. Nous avons également adapté le formalisme de ``Classical Shadows" pour la restauration de symétries dans le but d'optimiser les ressources quantiques nécessaires. Les différentes méthodes de restauration de symétrie sont illustrées à travers la thèse pour les symétries associées au nombre de particules et au spin total.Dans la dernière partie de la thèse, des techniques dites hybrides quantiques-classiques sont présentées, qui peuvent aider à extraire des informations précieuses sur le spectre de basse énergie du Hamiltonien. En supposant qu'il est possible d'extraire avec précision les moments du Hamiltonien à partir de leur fonction génératrice à l'aide d'un ordinateur quantique, nous introduisons deux méthodes d'analyse des spectres : la méthode de t-expansion, qui combine l'évolution en temps imaginaire et l'approximation de Padé, et la méthode de Krylov, une méthode d'expansion du sous-espace quantique qui peut fournir des informations sur les valeurs propres du Hamiltonien et sur l'évolution de la probabilité de survie. De plus, nous présentons également des résultats de la méthode Krylov Quantique. Cette technique donne des informations similaires à la méthode de Krylov, mais sans avoir besoin d'estimer les moments du Hamiltonien, une tâche qui reste difficile sur un ordinateur quantique actuellement.