Dynamique et traitement de l'information induits par réservoir dans des systèmes d'optique quantique Cette thèse est dédiée à l'étude de la dynamique et l'apprentissage automatique induits par réservoir dans le contexte de l'optique quantique, un sujet d'une importance majeure dans l'ère NISQ. Nous considérons d'abord la dynamique forcée-dissipative d'un système quantique ouvert, dont le couplage à l'environnement, modélisé comme un réservoir non contrôlé avec une infinité de degrés de liberté à la dynamique de relaxation rapide, donne lieu à de la dissipation. Nous étudions théoriquement et expérimentalement une transition de phase dissipative dans un système photonique soumis à un pompage optique cohérent. Nous proposons une technique permettant d'ajuster in situ la géométrie spatiale du système de manière purement optique, et l'implémentons sur une plateforme consistant en une microcavité planaire en matériau semiconducteur. Nous montrons l'émergence d'une transition de phase du premier ordre en deux dimensions et son absence en une dimension, ce qui constitue la première démonstration expérimentale du rôle de la dimensionnalité spatiale dans l'existence de la criticalité dans des systèmes photoniques. Nous traitons ensuite la théorie de l'ingénierie de réservoir, permettant d'exploiter la dynamique d'un réservoir dissipatif couplé à un système pour obtenir un contrôle effectif de ce dernier. Nous dérivons la dynamique effective induite par un réservoir fortement dissipatif à un seul mode, et proposons un simulateur photonique pour des spins antiferromagnétiques en appliquant cette théorie. Nous démontrons que le réservoir est capable d'induire des couplages antiferromagnétiques cohérents et dissipatifs entre les spins simulés, et que le couplage dissipatif seul donne lieu à la frustration dans le système. Enfin, nous étudions le traitement de l'information par réservoir dans le formalisme de l'apprentissage automatique. Ici, le réservoir est un système physique générique qui réagit par une dynamique non triviale en réponse à une excitation en entrée. Cette dynamique peut être exploitée pour construire des représentations utiles de l'entrée. Le système étudié comprend un détecteur quantique en mouvement relativiste dans une cavité, un modèle paradigmatique en information quantique relativiste, que l'on peut implémenter sur des plateformes analogiques comme des circuits supraconducteurs. Nous illustrons le protocole proposé sur un problème de classification par simulation numérique du système, et constatons une augmentation considérable de la performance dans le régime relativiste. Nos résultats constituent un premier exemple du calcul par réservoir quantique relativiste, montrant que l'on peut tirer parti des lois fondamentales de la physique pour traiter de l'information.
Dynamique et traitement de l'information induits par réservoir dans des systèmes d'optique quantique Cette thèse est dédiée à l'étude de la dynamique et l'apprentissage automatique induits par réservoir dans le contexte de l'optique quantique, un sujet d'une importance majeure dans l'ère NISQ. Nous considérons d'abord la dynamique forcée-dissipative d'un système quantique ouvert, dont le couplage à l'environnement, modélisé comme un réservoir non contrôlé avec une infinité de degrés de liberté à la dynamique de relaxation rapide, donne lieu à de la dissipation. Nous étudions théoriquement et expérimentalement une transition de phase dissipative dans un système photonique soumis à un pompage optique cohérent. Nous proposons une technique permettant d'ajuster in situ la géométrie spatiale du système de manière purement optique, et l'implémentons sur une plateforme consistant en une microcavité planaire en matériau semiconducteur. Nous montrons l'émergence d'une transition de phase du premier ordre en deux dimensions et son absence en une dimension, ce qui constitue la première démonstration expérimentale du rôle de la dimensionnalité spatiale dans l'existence de la criticalité dans des systèmes photoniques. Nous traitons ensuite la théorie de l'ingénierie de réservoir, permettant d'exploiter la dynamique d'un réservoir dissipatif couplé à un système pour obtenir un contrôle effectif de ce dernier. Nous dérivons la dynamique effective induite par un réservoir fortement dissipatif à un seul mode, et proposons un simulateur photonique pour des spins antiferromagnétiques en appliquant cette théorie. Nous démontrons que le réservoir est capable d'induire des couplages antiferromagnétiques cohérents et dissipatifs entre les spins simulés, et que le couplage dissipatif seul donne lieu à la frustration dans le système. Enfin, nous étudions le traitement de l'information par réservoir dans le formalisme de l'apprentissage automatique. Ici, le réservoir est un système physique générique qui réagit par une dynamique non triviale en réponse à une excitation en entrée. Cette dynamique peut être exploitée pour construire des représentations utiles de l'entrée. Le système étudié comprend un détecteur quantique en mouvement relativiste dans une cavité, un modèle paradigmatique en information quantique relativiste, que l'on peut implémenter sur des plateformes analogiques comme des circuits supraconducteurs. Nous illustrons le protocole proposé sur un problème de classification par simulation numérique du système, et constatons une augmentation considérable de la performance dans le régime relativiste. Nos résultats constituent un premier exemple du calcul par réservoir quantique relativiste, montrant que l'on peut tirer parti des lois fondamentales de la physique pour traiter de l'information.
Réservoirs quantiques et qubits bosoniques : dompter l'environnement Lorsqu’un système quantique interagit avec son environnement, ces interactions incontrôlées ne permettent plus de modéliser sa dynamique par une évolution réversible : la réversibilité est brisée par la fuite d’information hors du système. Du point de vue de la modélisation, dans le cas d’un couplage faible et Markovien à l’environnement, l’équation de Schrödinger est remplacée par une équation de Gorini–Kossakowski–Sudarshan–Lindblad. Des termes dissipatifs y rendent compte de l’impact de l’environnement sur la dynamique du système. À première vue, ces phénomènes dissipatifs sont source de décohérence quantique et limitent l’échelle de temps sur laquelle un système donné peut être contrôlé. Néanmoins, la présence de phénomènes dissipatifs ouvre également de nouvelles possibilités, au premier rang desquelles celle de stabiliser le système. En pratique, il n’est possible de choisir ni les phénomènes dissipatifs à l’œuvre ni leurs états d’équilibre. Si l’on sait créer des interactions suffisamment riches entre systèmes, il est toutefois possible de détourner les phénomènes existants pour imiter un phénomène dissipatif non physique choisi. L’environnement n’est alors plus un spectateur mais un allié. Cette stratégie, connue sous le nom d’ingénierie de réservoir quantique, remonte aux travaux pionniers d’Alfred Kastler sur le pompage optique. Nous étudions ici les applications de l’ingénierie de réservoir au traitement de l’information quantique. Nous nous intéressons en particulier à la stabilisation de deux codes bosoniques de correction d’erreur quantiques : le code de Gottesman-Kitaev-Preskill et le code de chat.
Dynamique hors-équilibre des systèmes quantiques ouverts et fermés Cette thèse est consacrée à l'étude de la dynamique de hors-équilibre dans les systèmes quantiques fermés et ouverts. La question de l'obtention d'équations dynamiques numériquement efficaces pour simuler de tels systèmes, qui souffrent d'une malédiction de dimensionnalité lorsqu'ils sont de grande taille est au centre de la thèse, ainsi que les divers nouveaux résultats physiques qui peuvent être obtenus grâce à ces équations efficaces. La question de l'obtention de représentations efficaces des états quantiques est également centrale, à travers la construction d'Ansatz. En particulier, nous présentons la méthode du sous-espace dynamique, une nouvelle méthode numérique pour la simulation de l'évolution temporelle de systèmes quantiques ouverts avec une entropie modérée. En représentant la matrice densité par un sous-espace constitué de M états purs, la complexité de l'intégration de l'équation maîtresse de Lindblad est considérablement réduite, et l'algorithme obtenu est entièrement déterministe. Nous appliquons ensuite cette méthode pour modéliser des algorithmes quantiques bruités, en simulant un algorithme quantique bruité de transformation de Fourier qui est au centre de l'algorithme de Shor pour la factorisation de nombre premiers. Nous trouvons une loi d'échelle pour l'erreur en fonction du taux de dissipation, et le comportement de l'infidélité par rapport au circuit idéal est modélisé en fonction des états initiaux qui sont fournis en entrée à l'algorithme. Ensuite, l'application des méthodes d'apprentissage automatique à la mécanique quantique est présentée, à travers la classe d'Ansatz des états quantiques neuronaux (NQS). La construction générale des NQS est introduite, ainsi que sa relation avec d'autres Ansatz tels que les réseaux tensoriels. Ensuite, le problème de la simulation de la dynamique des systèmes fermés avec NQS est étudié, ainsi que les problèmes courants liés à la géométrie de l'espace des paramètres qui peuvent survenir. Un schéma alternatif est introduit et appliqué aux quenches dépendantes du temps dans les systèmes critiques, où le mécanisme de Kibble-Zurek peut être étudié. Enfin, différentes constructions d'Ansatz pour les systèmes ouverts sont présentées, notamment la combinaison de la méthode du sous-espace dynamique avec un Ansatz neuronal. Enfin, nous étudions théoriquement la propagation de l'intrication dans les systèmes photoniques dissipatifs à forte interaction, motivés par la réalisation expérimentale récente de telles plateformes. Nos résultats montrent qu'en dépit du caractère dissipatif du système étudié, la propagation de l'intrication est ballistique avec une vitesse en accord avec l'image de quasiparticules impliquées dans la dynamique, des doublons et des holons photoniques. Notre analyse révèle que la dissipation est fortement asymétrique dans les deux cas étudiés de l'injection d'un doublon ou de son extraction, avec une influence plus forte dans le cas de l'extraction.
Systèmes quantiques ouverts et processus stochastiques quantiques De nombreux phénomènes de physique quantique ne peuvent être compris que par l'analyse des systèmes ouverts. Un appareil de mesure, par exemple, est un système macroscopique en contact avec un système quantique. Ainsi, tout modèle d'expérience doit prendre en compte les dynamiques propres aux systèmes ouverts. Ces dynamiques peuvent être complexes : l'interaction du système avec son environnement peut modifier ses propriétés, l'interaction peu créer des effets de mémoire dans l'évolution du système, . . . Ces dynamiques sont particulièrement importantes dans l'étude des expériences d'optique quantique. Nous sommes aujourd'hui capables de manipuler individuellement des particules. Pour cela la compréhension et le contrôle de l'influence de l'environnement est crucial. Dans cette thèse nous étudions d'un point de vue théorique quelques procédures communément utilisées en optique quantique. Avant la présentation de nos résultats, nous introduisons et motivons l'utilisation de la description markovienne des systèmes quantiques ouverts. Nous présentons a la fois les équations maîtresses et le calcul stochastique quantique. Nous introduisons ensuite la notion de trajectoire quantique pour la description des mesures indirectes continues. C'est dans ce contexte que l'on présente les résultats obtenus au cours de cette thèse. Dans un premier temps, nous étudions la convergence des mesures non destructives. Nous montrons qu'elles reproduisent la réduction du paquet d'onde du système mesuré. Nous montrons que cette convergence est exponentielle avec un taux fixe. Nous bornons le temps moyen de convergence. Dans ce cadre, en utilisant les techniques de changement de mesure par martingale, nous obtenons la limite continue des trajectoires quantiques discrètes. Dans un second temps, nous étudions l'influence de l'enregistrement des résultats de mesure sur la préparation d'état par ingénierie de réservoir. Nous montrons que l'enregistrement des résultats de mesure n'a pas d'influence sur la convergence proprement dite. Cependant, nous trouvons que l'enregistrement des résultats de mesure modifie le comportement du système avant la convergence. Nous retrouvons une convergence exponentielle avec un taux équivalent au taux sans enregistrement. Mais nous trouvons aussi un nouveau taux de convergence correspondant a une stabilité asymptotique. Ce dernier taux est interprété comme une mesure non destructive ajoutée. Ainsi l'état du système ne converge qu'après un temps aléatoire. A partir de ce temps la convergence peut être bien plus rapide. Nous obtenons aussi une borne sur le temps moyen de convergence.
De nombreux phénomènes de physique quantique ne peuvent être compris que par l'analyse des systèmes ouverts. Un appareil de mesure, par exemple, est un système macroscopique en contact avec un système quantique. Ainsi, tout modèle d'expérience doit prendre en compte les dynamiques propres aux systèmes ouverts. Ces dynamiques peuvent être complexes : l'interaction du système avec son environnement peut modifier ses propriétés, l'interaction peu créer des effets de mémoire dans l'évolution du système, . . . Ces dynamiques sont particulièrement importantes dans l'étude des expériences d'optique quantique. Nous sommes aujourd'hui capables de manipuler individuellement des particules. Pour cela la compréhension et le contrôle de l'influence de l'environnement est crucial. Dans cette thèse nous étudions d'un point de vue théorique quelques procédures communément utilisées en optique quantique. Avant la présentation de nos résultats, nous introduisons et motivons l'utilisation de la description markovienne des systèmes quantiques ouverts. Nous présentons a la fois les équations maîtresses et le calcul stochastique quantique. Nous introduisons ensuite la notion de trajectoire quantique pour la description des mesures indirectes continues. C'est dans ce contexte que l'on présente les résultats obtenus au cours de cette thèse. Dans un premier temps, nous étudions la convergence des mesures non destructives. Nous montrons qu'elles reproduisent la réduction du paquet d'onde du système mesuré. Nous montrons que cette convergence est exponentielle avec un taux fixe. Nous bornons le temps moyen de convergence. Dans ce cadre, en utilisant les techniques de changement de mesure par martingale, nous obtenons la limite continue des trajectoires quantiques discrètes. Dans un second temps, nous étudions l'influence de l'enregistrement des résultats de mesure sur la préparation d'état par ingénierie de réservoir. Nous montrons que l'enregistrement des résultats de mesure n'a pas d'influence sur la convergence proprement dite. Cependant, nous trouvons que l'enregistrement des résultats de mesure modifie le comportement du système avant la convergence. Nous retrouvons une convergence exponentielle avec un taux équivalent au taux sans enregistrement. Mais nous trouvons aussi un nouveau taux de convergence correspondant a une stabilité asymptotique. Ce dernier taux est interprété comme une mesure non destructive ajoutée. Ainsi l'état du système ne converge qu'après un temps aléatoire. A partir de ce temps la convergence peut être bien plus rapide. Nous obtenons aussi une borne sur le temps moyen de convergence.
Processus assistés par dissipation et corrélations quantiques La dynamique dissipative des systèmes quantiques ouverts et les corrélations quantiques sont des sujets de grand intérêt actuel. Le premier en raison de sa nécessité pour décrire des systèmes réalistes et le second parce que les corrélations quantiques permettent de réaliser, en général, des protocoles véritablement quantiques. Cette thèse vise à étudier des processus physiques reposant sur la dissipation, en se concentrant également sur les corrélations quantiques et leur rôle dans ces processus, et sur la façon d'utiliser la dissipation pour générer des corrélations quantiques. Tout d'abord, nous présentons au lecteur les différents sujets abordés dans la thèse qui sont liés à divers domaines de recherche tels que les systèmes quantiques ouverts, la thermodynamique quantique, l'optique quantique et l'information quantique. Ensuite, chaque chapitre traite d'un sujet différent. Une première partie de la thèse inclut deux études dans le domaine de la thermodynamique quantique. Une première étude concerne un protocole d'extraction de travail exploitant un seul bain thermique. Le travail, défini dans la théorie des ressources thermodynamiques, est extrait d'une ressource et stocké dans un système bipartite en activant et en désactivant son interaction interne. Ensuite, nous appliquons ce protocole à deux systèmes physiques pertinents : deux qubits en interaction et le modèle de Rabi. Dans les deux cas, nous obtenons une extraction de travail comparable aux énergies nues des systèmes. Dans une seconde étude, nous analysons des machines thermiques quantiques basées sur des cycles thermodynamiques à deux temps utilisant deux bains à des températures différentes. Le fluide de travail est composé de systèmes avec des niveaux d'énergie régulièrement espacés et toutes les interactions considérées sont de type d'échange. Nous maximisons la puissance de deux cycles différents, en nous concentrant également sur le rôle du temps d'attente des machines. Dans une seconde partie de cette thèse, fortement liée aux systèmes quantiques ouverts, nous étudions d'abord la dynamique Markovienne et non-Markovienne d'un oscillateur harmonique quantique guidé au sein du modèle collisionnel. Même si ce projet de recherche est "en cours", nous avons déjà des résultats prometteurs tels que l'apparition d'un terme non adiabatique dans la limite continue de la dynamique Markovienne. Ensuite, nous étudions le modèle de Dicke à deux photons dans la limite de mauvaise cavité, en considérant un modèle assez général comprenant des bains de température finis et des pilotages cohérents et incohérents. Nous parvenons à dériver une équation maîtresse efficace pour la dynamique des qubits et à la comparer au cas à un photon. Dans le modèle à deux photons, nous observons une augmentation du taux d'émission de type spontané des qubits et une augmentation de la température effective perçue par les qubits. Ces différences conduisent à une génération plus rapide d’états stationnaires avec cohérence et à une dépendance plus riche des effets collectifs sur la température. Dans la dernière partie de la thèse, nous explorons la connexion entre l'énergie et l'intrication quantique dans un système bipartite fini arbitraire sans interaction, trouvant également les états intriqués d'énergie minimale (MEESs), c'est-à-dire les états ayant la quantité d'énergie minimale pour un degré donné d’intrication quantique. Nous étudions également comment ces états peuvent être générés à la fois par des processus unitaires et dissipatifs, trouvant, pour ces derniers, que les MEESs sont pratiquement les plus économiques à produire. De plus, les MEESs peuvent être connectés entre eux au moyen d'opérations locales et de communication classique et semblent avoir des connexions remarquables avec la thermodynamique quantique et la physique à plusieurs corps. Enfin, nous analysons comment utiliser nos résultats pour réduire le coût énergétique de différents protocoles d'information quantique.
Transitions de phase hors équilibre dans les systèmes optiques non linéaires Dans cette thèse nous étudions théoriquement de systèmes dissipatifs pompés,décrits par une équation maîtresse de Lindblad. En particulier, nous adressons les problématiques liés à l’émergence de phénomènes critiques. Nous présentons une théorie générale reliant les transitions de phase du premier et deuxième ordres aux propriétés spectrales du superopérateur liouvillien. Dans la région critique, nous déterminons la forme générale de l’état stationnaire et de la matrice propre du liouvillien associée à son gap spectral. Nous discutons aussi l’utilisation de trajectoires quantiques individuelles afin de révéler l’apparition des transitions de phase. En ayant dérivé une théorie générale, nous étudions le modèle de Kerr en présence de pompage à un photon (cohérent) et à deux photons (paramétrique) ainsi que de dissipation. Nous explorons les propriétés dynamiques d’une transition de phase du premier ordre dans un modèle de Bose-Hubbard dissipatif et d’une de second ordre dans un modèle XYZ dissipatif d’Heisenberg. Enfin, nous avons considéré la physique des cavités soumises à de la dissipation à un et deux photons ainsi qu’un pompage à deux photons, obtenu par ingénierie de réservoirs. Nous avons démontré que l’état stationnaire unique est un mélange statistique de deux états chats de Schrödinger, malgré de fortes pertes à un photon.Nous proposons et étudions un protocole de rétroaction pour la génération d’états chat purs