La recherche de codes de correction d'erreurs est un point critique dans le développement d'un ordinateur quantique. Malheureusement, plusieurs des codes de correction trouvés jusqu'à maintenant n'ont qu'une valeur théorique, n'ayant pas de base dans un système physique qui peut être réalisé en laboratoire. Il est donc désirable de chercher un phénomène physique qui pourrait supporter un code de correction d'erreurs. Le principe holographique émergeant de certaines théories de gravité quantique, qui affirme qu'il existe une correspondance entre une théorie gravitationnelle dans un espace Anti-de Sitter de dimension $(d+1)$ et une théorie de champ conforme sur la frontière à $d$ dimensions de cet espace, est un candidat pour ce genre de phénomène. L'information locale dans la théorie gravitationnelle est représentée non-localement dans la théorie de champ, ouvrant la possibilité d'un code de correction d'erreurs. Un qubit logique est encodé dans la théorie gravitationnelle, les qubits physiques devenant des états dans la théorie de champ, soit une chaîne de spins dans la théorie d'Ising dans notre cas, qui est un système physiquement intéressant. Si une partie suffisamment petite des qubits physiques est effacée, le qubit logique peut quand même être reconstruit à partir des qubits physiques restants. Concrètement, cette correspondance est implémentée en utilisant des réseaux de tenseurs hyperboliques. Certains de ces réseaux permettent de représenter l'état appartenant à la théorie de champ conforme tout en possédant une structure interne qui détient les mêmes caractéristiques que l'espace AdS. Si une isométrie entre les tenseurs sur la frontière d'un tel réseau et le tenseur central du réseau existe, un code de correction d'erreurs devrait exister sur le réseau. La création de ces réseaux a été proposée par Jahn et al. en 2017. Ils ont démontré que l'utilisation de portes de parité, une classe de tenseurs introduite par Leslie Valiant en 2002 qui représente des états gaussiens, dans un réseau de tenseurs hyperbolique permet de retrouver un état propre d'un hamiltonien d'Ising à la frontière du réseau. Cependant, l'article qui décrit les réseaux hyperboliques de portes de parité n'offre pas de code explicite pour reproduire ces réseaux, et les explications contenues dans l'article sont parsemées de coquilles et omettent de l'information cruciale. Dans ce mémoire, ces problèmes sont résolus. Nous offrons d'abord une explication théorique plus accessible en introduisant les tenseurs et leurs réseaux, la correspondance AdS/CFT et le formalisme des portes de parité. Nous présentons également un algorithme permettant de recréer les réseaux discutés dans l'article de Jahn et al. Cette implémentation est générale, permettant de produire un réseau avec un dallage et une profondeur arbitraires tout en imposant les caractéristiques nécessaires à la correspondance AdS/CFT. L'algorithme inclut une fonction qui crée la liste d'adjacence du réseau de tenseurs ainsi que les fonctions requises pour manipuler les portes de parité et effectuer le passage de la liste d'adjacence au réseau de tenseurs contracté. De là, nous donnons également le code nécessaire pour calculer la matrice de covariance de l'état résultant, de laquelle tous les corrélateurs peuvent être extraits. Avec cet algorithme nous sommes capables de recréer les figures clés dans l'article de Jahn et al., confirmant la validité du code.
La recherche de codes de correction d'erreurs est un point critique dans le développement d'un ordinateur quantique. Malheureusement, plusieurs des codes de correction trouvés jusqu'à maintenant n'ont qu'une valeur théorique, n'ayant pas de base dans un système physique qui peut être réalisé en laboratoire. Il est donc désirable de chercher un phénomène physique qui pourrait supporter un code de correction d'erreurs. Le principe holographique émergeant de certaines théories de gravité quantique, qui affirme qu'il existe une correspondance entre une théorie gravitationnelle dans un espace Anti-de Sitter de dimension (d+1) et une théorie de champ conforme sur la frontière à d dimensions de cet espace, est un candidat pour ce genre de phénomène. L'information locale dans la théorie gravitationnelle est représentée non-localement dans la théorie de champ, ouvrant la possibilité d'un code de correction d'erreurs. Un qubit logique est encodé dans la théorie gravitationnelle, les qubits physiques devenant des états dans la théorie de champ, soit une chaîne de spins dans la théorie d'Ising dans notre cas, qui est un système physiquement intéressant. Si une partie suffisamment petite des qubits physiques est effacée, le qubit logique peut quand même être reconstruit à partir des qubits physiques restants. Concrètement, cette correspondance est implémentée en utilisant des réseaux de tenseurs hyperboliques. Certains de ces réseaux permettent de représenter l'état appartenant à la théorie de champ conforme tout en possédant une structure interne qui détient les mêmes caractéristiques que l'espace AdS. Si une isométrie entre les tenseurs sur la frontière d'un tel réseau et le tenseur central du réseau existe, un code de correction d'erreurs devrait exister sur le réseau. La création de ces réseaux a été proposée par Jahn et al. en 2017. Ils ont démontré que l'utilisation de portes de parité, une classe de tenseurs introduite par Leslie Valiant en 2002 qui représente des états gaussiens, dans un réseau de tenseurs hyperbolique permet de retrouver un état propre d'un hamiltonien d'Ising à la frontière du réseau. Cependant, l'article qui décrit les réseaux hyperboliques de portes de parité n'offre pas de code explicite pour reproduire ces réseaux, et les explications contenues dans l'article sont parsemées de coquilles et omettent de l'information cruciale. Dans ce mémoire, ces problèmes sont résolus. Nous offrons d'abord une explication théorique plus accessible en introduisant les tenseurs et leurs réseaux, la correspondance AdS/CFT et le formalisme des portes de parité. Nous présentons également un algorithme permettant de recréer les réseaux discutés dans l'article de Jahn et al. Cette implémentation est générale, permettant de produire un réseau avec un dallage et une profondeur arbitraires tout en imposant les caractéristiques nécessaires à la correspondance AdS/CFT. L'algorithme inclut une fonction qui crée la liste d'adjacence du réseau de tenseurs ainsi que les fonctions requises pour manipuler les portes de parité et effectuer le passage de la liste d'adjacence au réseau de tenseurs contracté. De là, nous donnons également le code nécessaire pour calculer la matrice de covariance de l'état résultant, de laquelle tous les corrélateurs peuvent être extraits. Avec cet algorithme nous sommes capables de recréer les figures clés dans l'article de Jahn et al., confirmant la validité du code.
Codes correcteurs d’erreur quantique topologiques au-delà de la dimension 2 La mémoire quantique est constituée de matériaux présentant des effets quantiques comme la superposition. C’est cette possibilité de superposition qui distingue l’élément élémentaire de mémoire quantique, le qubit, de son analogue classique, le bit. Contrairement à un bit classique, un qubit peut être dans un état différent de l’état 0 et de l’état 1. Une difficulté majeure de la réalisation physique de mémoire quantique est la nécessité d’isoler le système utilisé de son environnement. En effet l’interaction d’un système quantique avec son environnement entraine un phénomène appelé décohérence qui se traduit par des erreurs sur l’état du système quantique. Dit autrement, à cause de la décohérence, il est possible que les qubits ne soient pas dans l’état dans lequel il est prévu qu’ils soient. Lorsque ces erreurs s’accumulent le résultat d’un calcul quantique a de grandes chances de ne pas être le résultat attendu. La correction d’erreur quantique est un ensemble de techniques permettant de protéger l’information quantique de ces erreurs. Elle consiste à réaliser un compromis entre le nombre de qubits et leur qualité. Plus précisément un code correcteur d’erreur permet à partir de N qubits physiques bruités de simuler un nombre plus petit K de qubits logiques, c’est-à-dire virtuels, moins bruités. La famille de codes la plus connue est sans doute celle découverte par le physicien Alexei Kitaev: le code torique. Cette construction peut être généralisée à des formes géométriques (variétés) autres qu’un tore. En 2014, Larry Guth et Alexander Lubotzky proposent une famille de code définie à partir de variétés hyperboliques de dimension 4 et montrent que cette famille fournit un compromis intéressant entre le nombre K de qubits logiques et le nombre d’erreurs qu’elle permet de corriger. Dans cette thèse, nous sommes partis de la construction de Guth et Lubotzky et en avons donné une version plus explicite et plus régulière. Pour définir un pavage régulier de l’espace hyperbolique de dimension 4, nous utilisons le groupe de symétrie de symbole de Schläfli {4, 3, 3, 5}. Nous en donnons la représentation matricielle correspondant au modèle de l’hyperboloïde et à un hypercube centré sur l’origine et dont les faces sont orthogonales aux quatre axes de coordonnée. Cette construction permet d’obtenir une famille de codes quantiques encodant un nombre de qubits logiques proportionnel au nombre de qubits physiques et dont la distance minimale croît au moins comme N0.1. Bien que ces paramètres soient également ceux de la construction de Guth et Lubotzky, la régularité de cette construction permet de construire explicitement des exemples de taille raisonnable et d’envisager des algorithmes de décodage qui exploitent cette régularité. Dans un second chapitre nous considérons une famille de codes quantiques hyperboliques 4D de symbole de Schläfli {5, 3, 3, 5}. Après avoir énoncé une façon de prendre le quotient des groupes correspondant en conservant la structure locale du groupe, nous construisons les matrices de parité correspondant à des codes quantiques ayant 144, 720, 9792, 18 000 et 90 000 qubits physiques. Nous appliquons un algorithme de Belief Propagation au décodage de ces codes et analysons les résultats numériquement. Dans un troisième et dernier chapitre nous définissons une nouvelle famille de codes quantiques à partir de cubes de dimension arbitrairement grande. En prenant le quotient d’un cube de dimension n par un code classique de paramètres [n, k, d] et en identifiant les qubits physiques avec les faces de dimension p du polytope quotient ainsi défini, on obtient un code quantique. Cette famille de codes quantiques a l’originalité de considérer des quotients par des codes classiques. En cela elle s’éloigne de la topologie et appartient plutôt à la famille des codes homologiques.
Les diagrammes sont omniprésents en physique et ont catalysé le progrès à de nombreuses reprises. Des réseaux tensoriels aux circuits quantiques en passant par les diagrammes de Feynman, rares sont les domaines de la physique qui ne font pas appel à un raisonnement informel par l'image. Ces diagrammes représentent les opérations mathématiques sous-jacentes et facilitent l'interprétation physique, mais ne peuvent généralement pas être calculés directement. Dans cette thèse, le ZXH-calcul, un langage graphique basé sur le ZX-calcul, est proposé comme prototype d'un outil de calcul diagrammatique formel pour la physique théorique impliquant le spin. Cela permet d'étendre le calcul ZXH (et plus largement la famille de calculs ZX à laquelle il appartient) au-delà de son domaine traditionnel qui a été largement dominé par l'informatique quantique. Pour ce faire, les réseaux de spin issus de la physique de la matière condensée sont étudiés. Il est également montré comment les réseaux de spins de la forme souvent considérée comme l'espace d'état de la gravité quantique à boucles (LQG) peuvent être diagrammatisés avec les opérateurs qui agissent sur eux.Pour y parvenir, une forme diagrammatique de la théorie des représentations SU(2) est exposée. Un certain nombre de résultats sont ensuite présentés dans la matière condensée. L'état 1D AKLT, un état topologique protégé par symétrie, est exprimé dans le calcul ZXH en développant une représentation des spins supérieurs à 1/2 dans le calcul. En exploitant le pouvoir de simplification des règles du calcul ZXH, on montre comment cette représentation permet de retrouver directement la représentation de l'état AKLT par produit de matrice, l'existence d'états de bord topologiquement protégés et la non-vanie d'un paramètre d'ordre de chaîne. Au-delà de ces propriétés connues, l'approche diagrammatique permet également de dériver analytiquement que la phase de Berry de toute chaîne AKLT 1D de longueur finie est π. En outre, une preuve alternative que l'état AKLT 2D sur un réseau hexagonal peut être réduit à un état de graphe, démontrant qu'il s'agit d'une ressource universelle de calcul quantique. En continuant sur le thème de la matière condensée, on montre ensuite comment on peut construire des phases topologiques d'ordre supérieur en 2D de manière schématique, ce qui est utilisé pour illustrer une transition de phase avec rupture de symétrie.En ce qui concerne la LQG, la première étape est l'analyse des diagrammes de Yutsis, un calcul graphique standard utilisé en chimie quantique et en gravité quantique, qui capture les principales caractéristiques de la théorie des représentations SU(2). Ensuite, on montre comment il s'intègre dans le calcul de binor de Penrose. Les deux sont ensuite subsumés et réécrits en diagrammes ZXH. Dans ce processus, nous montrons comment l'invariance SU(2) des symboles de Wigner peut être prouvée de manière triviale dans le calcul ZXH. En outre, nous montrons comment nous pouvons calculer explicitement les symboles 3jm, 4jm et 6j dans le diagramme. On pense depuis longtemps que la gravité quantique devrait être étroitement liée à la théorie de l'information quantique. Dans cet article, nous présentons une façon de rendre cette connexion exacte, en écrivant les réseaux de spin de la gravité quantique à boucles dans le langage ZX-diagrammatique du calcul quantique. Enfin, après avoir exposé les raisons de considérer les réseaux de spins comme la quantification de l'espace, nous discutons des opérateurs géométriques et, dans des cas spécifiques, nous fournissons des versions diagrammatiques des opérateurs. Plus généralement, ce qui est fait ici montre une voie par laquelle LQG peut être interprété en termes d'information quantique en réécrivant ses états cinématiques comme des réseaux de qubits dans ZXH.
Les diagrammes sont omniprésents en physique et ont catalysé le progrès à de nombreuses reprises. Des réseaux tensoriels aux circuits quantiques en passant par les diagrammes de Feynman, rares sont les domaines de la physique qui ne font pas appel à un raisonnement informel par l'image. Ces diagrammes représentent les opérations mathématiques sous-jacentes et facilitent l'interprétation physique, mais ne peuvent généralement pas être calculés directement. Dans cette thèse, le ZXH-calcul, un langage graphique basé sur le ZX-calcul, est proposé comme prototype d'un outil de calcul diagrammatique formel pour la physique théorique impliquant le spin. Cela permet d'étendre le calcul ZXH (et plus largement la famille de calculs ZX à laquelle il appartient) au-delà de son domaine traditionnel qui a été largement dominé par l'informatique quantique. Pour ce faire, les réseaux de spin issus de la physique de la matière condensée sont étudiés. Il est également montré comment les réseaux de spins de la forme souvent considérée comme l'espace d'état de la gravité quantique à boucles (LQG) peuvent être diagrammatisés avec les opérateurs qui agissent sur eux.Pour y parvenir, une forme diagrammatique de la théorie des représentations SU(2) est exposée. Un certain nombre de résultats sont ensuite présentés dans la matière condensée. L'état 1D AKLT, un état topologique protégé par symétrie, est exprimé dans le calcul ZXH en développant une représentation des spins supérieurs à 1/2 dans le calcul. En exploitant le pouvoir de simplification des règles du calcul ZXH, on montre comment cette représentation permet de retrouver directement la représentation de l'état AKLT par produit de matrice, l'existence d'états de bord topologiquement protégés et la non-vanie d'un paramètre d'ordre de chaîne. Au-delà de ces propriétés connues, l'approche diagrammatique permet également de dériver analytiquement que la phase de Berry de toute chaîne AKLT 1D de longueur finie est π. En outre, une preuve alternative que l'état AKLT 2D sur un réseau hexagonal peut être réduit à un état de graphe, démontrant qu'il s'agit d'une ressource universelle de calcul quantique. En continuant sur le thème de la matière condensée, on montre ensuite comment on peut construire des phases topologiques d'ordre supérieur en 2D de manière schématique, ce qui est utilisé pour illustrer une transition de phase avec rupture de symétrie.En ce qui concerne la LQG, la première étape est l'analyse des diagrammes de Yutsis, un calcul graphique standard utilisé en chimie quantique et en gravité quantique, qui capture les principales caractéristiques de la théorie des représentations SU(2). Ensuite, on montre comment il s'intègre dans le calcul de binor de Penrose. Les deux sont ensuite subsumés et réécrits en diagrammes ZXH. Dans ce processus, nous montrons comment l'invariance SU(2) des symboles de Wigner peut être prouvée de manière triviale dans le calcul ZXH. En outre, nous montrons comment nous pouvons calculer explicitement les symboles 3jm, 4jm et 6j dans le diagramme. On pense depuis longtemps que la gravité quantique devrait être étroitement liée à la théorie de l'information quantique. Dans cet article, nous présentons une façon de rendre cette connexion exacte, en écrivant les réseaux de spin de la gravité quantique à boucles dans le langage ZX-diagrammatique du calcul quantique. Enfin, après avoir exposé les raisons de considérer les réseaux de spins comme la quantification de l'espace, nous discutons des opérateurs géométriques et, dans des cas spécifiques, nous fournissons des versions diagrammatiques des opérateurs. Plus généralement, ce qui est fait ici montre une voie par laquelle LQG peut être interprété en termes d'information quantique en réécrivant ses états cinématiques comme des réseaux de qubits dans ZXH.
Correction d’erreurs quantiques avec des qubits de chats Au cours des deux dernières décennies, les circuits supraconducteurs se sont imposés comme une plateforme prometteuse pour la construction d’un ordinateur quantique. Cependant, ils demeurent limités par leur temps de cohérence qui reste insuffisant pour démontrer un avantage quantique pratique. La correction d'erreur quantique offre une approche pour contrer la décohérence, le principe fondamental étant d'introduire de la redondance afin de définir un qubit dit logique. Ainsi, si un qubit physique isolé subit une erreur, celle-ci peut être détectée et corrigée sans affecter l'information contenue dans le qubit logique. L'une des approches les plus intuitives, se rapprochant le plus de la correction d'erreur classique, consiste à utiliser une multitude de qubits physiques pour réaliser la redondance recherchée.Cette thèse explore une approche alternative, basée sur l'encodage de l'information quantique dans des cavités supraconductrices, la redondance étant alors simplement fournie par la dimension infinie de l'espace de Hilbert. Nous utilisons des qubits de chat pour lesquels les états logiques 0 et 1 sont des états cohérents d'un oscillateur harmonique. Ces états sont stabilisés en utilisant la dissipation à notre avantage, de sorte que les échanges de photons entre le mode harmonique et son environnement se fassent principalement par paires. Ainsi, les erreurs de type « bit-flip » sont supprimées exponentiellement avec le nombre de photons contenus dans le mode, au prix d'une augmentation linéaire des erreurs de type « phase-flip ». Ces erreurs pourraient alors être corrigées par une couche supplémentaire de correction, tel qu'un code de répétition de qubits de chats. Le coeur de ce travail de thèse consiste à introduire un circuit supraconducteur autoparamétrique qui couple de manière non-linéaire un mode contenant le qubit de chat à un mode dissipatif dont la fréquence est réglée au double de celle du mode du chat. Contrairement à de précédentes réalisations, ce couplage passif ne nécessite pas de pompe paramétrique et atteint un fort taux de dissipation d'environ 2 MHz. Les erreurs de bit-flip sont alors évitées pendant une période caractéristique pouvant aller jusqu'à 0.3 s, avec un impact modéré sur les erreurs de phase-flip. De plus, nous démontrons un contrôle universel de ce qubit en utilisant la dissipation à 2 photons pour réaliser des portes logiques X, Y et Z d'un angle arbitraire.
L’ordinateur quantique promet un avantage computationnel considérable par rapport à l’ordinateur classique, ce qui pourrait conduire à des avancées majeures dans des domaines tels que la chimie, la science des matériaux et la médecine. Sa puissance de calcul supé- rieure pourrait, en théorie, permettre la simulation de systèmes plus vastes et la résolution de problèmes d’optimisation cruciaux pour le développement durable. Bien que d’impor- tantes avancées aient été réalisées tant sur le plan théorique que pratique, la construction d’un ordinateur quantique fonctionnel offrant un avantage computationnel substantiel par rapport aux ordinateurs classiques reste inachevée. En pratique, un qubit doit posséder plusieurs caractéristiques importantes, telles que la capacité à rester stable suffisamment longtemps pour permettre l’exécution d’opérations. Bien que les caractéristiques physiques de l’ordinateur quantique soient importantes, il est essentiel de considérer l’aspect logiciel. Pour minimiser les erreurs sur les qubits et les opérations, il est nécessaire d’implémenter une correction d’erreur quantique pour détecter et corriger les erreurs qui se produisent. Plusieurs codes de correction d’erreur quantique sont actuellement à l’étude. Les codes bosoniques représentent une avenue prometteuse pour résoudre ce problème. Dans ce cas, un qubit logique est construit en utilisant les modes électromagnétiques d’une cavité micro-ondes. L’avancée la plus récente dans le domaine des codes bosoniques quantiques est le code sphérique quantique. Ce type de codes constitue le point de départ de ce projet. Dans l’article de Jain et al., plusieurs questions restent ouvertes quant à la construction générale des codes sphériques quantiques. Avec la construction de mots-code, une fidélité quasi-optimale est déterminée. Pour un nombre de photons moyen par mode optimal de 3,02, une fidélité quasi-optimale de 0,98 est déterminée. Cette construction du code cubique quantique protège contre la perte de deux photons, offre une porte logique de type X et douze stabilisateurs.
Dynamiques quantiques sur réseaux Le domaine de l’informatique quantique a connu ces dernières années un fort développement. Un nouveau phénomène a récemment été découvert sur atomes de Rydberg, le scarring, qui s’est révélé être un nouveau mécanisme de brisure d’ergodicité: certains états initiaux n’explorent pas l’entièreté de l’espace de Hilbert mais restent localisés. Ce type de mécanisme a un potentiel intérêt pour encoder de l’information dans des systèmes quantiques.Dans cette thèse, on étudie des dynamiques discrètes en espace temps, qui sont des modèles quantiques simples à plusieurs corps. Des exemples de ces dynamiques discrètes sont les marches quantiques et les automates cellulaires quantiques. Elles sont écrites en termes de portes quantiques, ce qui les rend adaptées aux plateformes expérimentales.Dans la première partie de la thèse, on s’est intéressé à ces dynamiques discrètes dans le but de simuler un système physique. Plus précisément, nous proposons un automate cellulaire quantique et montrons sa convergence vers une théorie quantique des champs, le modèle de Schwinger en 1+1 dimensions.Dans la seconde partie de la thèse, nous investiguons ces dynamiques quantiques hors équilibre et étudions leurs propriétés de thermalisation sous le point de vue de l’information quantique.Nous proposons une généralisation de la marche quantique telle qu’elle interagit avec des spins situés sur les liens d’un réseau, et nous étudions les propriétés de propagation de l’aimantation et de l’intrication.Nous étudions ensuite un automate cellulaire quantique et découvrons que parmi les états chaotiques générés par la dynamique une hiérarchie peut émerger.