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Information quantique par passage adiabatique : portes quantiques et décohérence

X. Lacour

Published Jan 1, 2007• 1 citation
OpenAlex

Abstract

La première partie de cette thèse est consacrée à l'élaboration théorique de processus adiabatiques permettant l'implémentation de portes logiques quantiques, les constituants élémentaires des ordinateurs quantiques, par l'interaction de champs laser impulsionnels avec des atomes. L'utilisation de techniques adiabatiques permet des implémentations robustes, i.e. insensibles aux fluctuations des paramètres expérimentaux. Les processus décrits dans cette thèse ne nécessitent que le contrôle précis des polarisations et des phases relatives des champs lasers. Ces processus permettent l'implémentation d'un ensemble universel de portes quantiques, autorisant l'implémentation de toute autre porte quantique par combinaisons. La seconde partie de cette thèse concerne les effets de la décohérence par déphasage sur le passage adiabatique. La formule de probabilité de transition d'un système à deux niveaux tenant compte de ces effets décohérents est établie. Cette formule est valable dans les différents régimes, diabatique et adiabatique, et permet d'établir les paramètres de trajectoires elliptiques optimisant le transfert de population.

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Quantum information by adiabatic passage (quantum gates and decoherence)

X. Lacour, S. Guérin, Hans Rudolf Jauslin

La première partie de cette thèse est consacrée à l'élaboration théorique de processus adiabatiques permettant l'implémentation de portes logiques quantiques, les constituants élémentaires des ordinateurs quantiques, par l'interaction de champs laser impulsionnels avec des atomes. L'utilisation de techniques adiabatiques permet des implémentations robustes, i.e. insensibles aux fluctuations des paramètres expérimentaux. Les processus décrits dans cette thèse ne nécessitent que le contrôle précis des polarisations et des phases relatives des champs lasers. Ces processus permettent l'implémentation d'un ensemble universel de portes quantiques, autorisant l'implémentation de toute autre porte quantique par combinaisons. La seconde partie de cette thèse concerne les effets de la décohérence par déphasage sur le passage adiabatique. La formule de probabilité de transition d'un système à deux niveaux tenant compte de ces effets décohérents est établie. Cette formule est valable dans les différents régimes, diabatique et adiabatique, et permet d'établir les paramètres de trajectoires elliptiques optimisant le transfert de population.

•Jan 1, 2007•0 citations

Contrôle quantique adiabatique : technique de passage adiabatique parallèle et systèmes dissipatifs

Ghassen Dridi

La première partie de cette thèse est consacrée à l'élaboration théorique de processus adiabatiques permettant le transfert de population entre un état initial et un état cible d'un système quantique. La stratégie du passage adiabatique parallèle pour laquelle les paramètres de couplage sont conçus de telle sorte que la différence des valeurs propres du système reste constante à chaque instant, permet de minimiser à zéro les transitions non-adiabatiques données par la formule DDP. Cette technique permet de combiner à la fois l'efficacité énergétique des méthodes impulsion-pi et la robustesse du passage adiabatique. La seconde partie de cette thèse concerne les effets de la dissipation sur le passage adiabatique. La formule de probabilité de transition d'un système à deux niveaux tenant compte des effets de la dissipation est établie. Cette formule permet de reformuler la solution générale d'un système dissipatif à deux niveaux dans la limite adiabatique qui est valable au-delà du régime de faible dissipation.

•Dec 16, 2011•0 citations

Adiabatic quantum control (parallel adiabatic passage technique and dissipative systems)

Ghassen Dridi, S. Guérin

La première partie de cette thèse est consacrée à l'élaboration théorique de processus adiabatiques permettant le transfert de population entre un état initial et un état cible d'un système quantique. La stratégie du passage adiabatique parallèle pour laquelle les paramètres de couplage sont conçus de telle sorte que la différence des valeurs propres du système reste constante à chaque instant, permet de minimiser à zéro les transitions non-adiabatiques données par la formule DDP. Cette technique permet de combiner à la fois l'efficacité énergétique des méthodes impulsion-pi et la robustesse du passage adiabatique. La seconde partie de cette thèse concerne les effets de la dissipation sur le passage adiabatique. La formule de probabilité de transition d'un système à deux niveaux tenant compte des effets de la dissipation est établie. Cette formule permet de reformuler la solution générale d'un système dissipatif à deux niveaux dans la limite adiabatique qui est valable au-delà du régime de faible dissipation.

•Jan 1, 2011•0 citations

Contrôle par laser de la dynamique de systèmes quantiques

Mamadou Ndong

Cette thèse est consacrée au contrôle de la dynamique de systèmes quantiques par interaction avec des impulsions laser. Ces impulsions laser sont déterminées par la méthode du contrôle optimale qui peut être formulé dans l'espace de Hilbert pour les fonction d'ondes et dans l'espace de Liouville pour les matrices densité. Cette dernière approche est nécessaire pour étudier la dissipation et la décohérence. La première application concerne la localisation d'un paquet d'ondes dans l'un ou l'autre des puits d'une surface de potentiel à deux dimensions où trois bassins sont connectés par une région de biffurcation. Le modèle moléculaire correspond à l'isomérisation de H3CO en H2COH. La seconde application porte sur un modèle d'isomérisation du rétinal où seul la coordonnée de torsion est prise en compte. Les applications sur la portes logiques ont été réalisées en encodant l'information dans des niveaux vibrationnels d'un double puits à deux dimensions. Des champs permettant de simuler des transformations unitaires telles que la porte NOT, la porte CNOT et la porte HADAMARD ont été optimisés. Ces champs ont été concaténés pour simuler les quatre étapes de l'algorithme de Deutsch sur un système à deux qubits. L'influence de l'environnement a été prise en compte. Ces simulations montrent qu'il est concevable d'utiliser des degrés de liberté moléculaires avec des impulsions laser optimisées pour aller vers la calcul quantique.

•Jan 1, 2007•0 citations

Laser control of quantum systems

Mamadou Ndong, Michèle Desouter-Lecomte, Xavier Chapuisat

La thèse est consacrée au contrôle de la dynamique de systèmes quantiques par interactions avec impulsions laser. Ces impulsions laser sont déterminées par la méthode du contrôle optimal qui peut être formulé dans l espace de Hilbert pour les fonctions d onde et dans l espace de Liouville pour les matrices densité. Cette dernière approche est nécessaire pour étudier la dissipation et la décohérence. La première application concerne la localisation d un paquet d ondes dans l un ou l autre des puits d une surface de potentiel à deux dimensions où trois bassins sont connectés par une région de bifurcation. Le modèle moléculaire correspond à l isomérisation de H3CO en H2COH. La seconde application porte sur un modèle d isomérisation du rétinal où seule la coordonnée de torsion est prise en compte. Les applications sur les portes logiques ont été réalisées en encodant l information dans des niveaux vibrationnels d un double puits à deux dimensions. Des champs permettant de simuler des transformation unitaires telles que la porte NOT, la porte CNOT et la porte HADAMARD ont été optimisées. Ces champs ont été concaténés pour simuler les quatre étapes de l algorithme de Deutsch sur un système à deux qubits. L influence de l environnement a été prise en compte. Ces simulations montrent qu il est convenable d utiliser des degrés de liberté moléculaires avec des impulsions laser optimisées pour aller vers le calcul quantique.

•Jan 1, 2007•0 citations

Interaction entre des impulsions électromagnétiques quantifiées et des systèmes atomiques : effets transitoires

S. Derouault

Cette thèse présente l'étude des phénomènes transitoires lors de l'interaction d'un atome à deux niveaux avec des impulsions quantifiées. Dans une première partie nous rappelons les bases théoriques sur lesquelles s'appuie ce manuscrit. Dans un traitement semi-classique du problème, où le champ n'est pas traité quantiquement, nous montrons qu'il est possible de réaliser des transitions non-adiabatiques à l'aide d'impulsions lumineuses non-résonantes en régime de couplage fort. Nous introduisons ensuite le modèle de Jaynes-Cummings qui permet de traiter l'ensemble du système quantiquement, pour un champ mono-mode. Dans une seconde partie, nous étudions la situation d'un atome à deux niveaux traversant un micro-maser mono-mode. Dans ce cas, ce n'est pas le champs qui est transitoire mais le terme de couplage avec l'atome. La modulation du profil du champ contenu dans la cavité permet de réaliser des transitions non-adiabatiques. \nLe système se propage alors, à l'intérieur de la cavité, dans une superposition d'états adiabatiques. L'état final en sortie de la cavité peut être compris à l'aide d'un schéma d'interférence de type Ramsay. Lorsque l'énergie incidente de l'atome est du même ordre du grandeur que l'énergie d'interaction, le déplacement du centre de masse doit être quantifié afin de prendre correctement en compte les couplages opto-mécaniques. Nous développons pour cela une approche temporelle, en définissant plusieurs temps, associés aux différents états adiabatiques. Nous étudions dans les parties suivantes les configurations où un ou deux atomes sont confinés dans un guide d'onde à une dimension. \nCette configuration permet d'obtenir un régime de couplage fort, même pour un paquet d'onde à un seul photon. Dans le cas où il n'y a qu'un seul atome nous démontrons un théorème contraignant l'aire de l'impulsion transmise. En effet, pour un régime de couplage arbitraire, l'aire de l'impulsion transmise est systématiquement nulle. La contrepartie dans le domaine spectral est que la fréquence centrale de l'impulsion, résonante avec la transition atomique, est totalement réfléchie. Dans le cas où deux atomes sont présents dans le guide d'onde, nous explorons les processus d'échanges de photons entre ces atomes. Afin de traiter correctement l'influence des photons virtuels, nous montrons que l'approximation de l'onde tournante ne doit pas être faite. La dynamique des champs rayonnés est alors comprise en la reliant aux états retardés de Dicke. L'échange de photons virtuels conduit à une modification des niveaux de ces états et à une modification significative des spectres rayonnés. L'influence de ces photons virtuels peut être modulée, et même supprimée, en ajustant la distance inter-atomique. Nous montrons que le théorème contraignant l'aire de l'impulsion reste valable dans cette situation. Finalement nous traitons dans une dernière partie de l'interaction d'un atome à deux niveaux contenus dans un guide d'onde avec des champs non-classiques arbitraires. Pour cela, nous développons une nouvelle méthode en quantifiant le flux électromagnétique. Cette méthode à la particularité de définir de nouveaux états adiabatiques globaux, similaires à ceux utilisés dans les théories semi-classiques. Cette caractéristique permet de retrouver les résultats semi-classiques dans le cas où le champ est composé d'états cohérents à grand nombre de photons. Dans le cas général, la nouvelle structure des états adiabatiques est organisée en bandes d'états. Chaque bande du modèle quantique correspond à un état unique dans le modèle semi-classique. Nous faisons alors la distinction entre couplage intra- et inter-bandes.

•Dec 5, 2014•0 citations
La première partie de cette thèse est consacrée à l'élaboration théorique de processus adiabatiques permettant l'implémentation de portes logiques quantiques, les constituants élémentaires des ordinateurs quantiques, par l'interaction de champs laser impulsionnels avec des atomes. L'utilisation de techniques adiabatiques permet des implémentations robustes, i.e. insensibles aux fluctuations des paramètres expérimentaux. Les processus décrits dans cette thèse ne nécessitent que le contrôle précis des polarisations et des phases relatives des champs lasers. Ces processus permettent l'implémentation d'un ensemble universel de portes quantiques, autorisant l'implémentation de toute autre porte quantique par combinaisons. La seconde partie de cette thèse concerne les effets de la décohérence par déphasage sur le passage adiabatique. La formule de probabilité de transition d'un système à deux niveaux tenant compte de ces effets décohérents est établie. Cette formule est valable dans les différents régimes, diabatique et adiabatique, et permet d'établir les paramètres de trajectoires elliptiques optimisant le transfert de population.
La première partie de cette thèse est consacrée à l'élaboration théorique de processus adiabatiques permettant l'implémentation de portes logiques quantiques, les constituants élémentaires des ordinateurs quantiques, par l'interaction de champs laser impulsionnels avec des atomes. L'utilisation de techniques adiabatiques permet des implémentations robustes, i.e. insensibles aux fluctuations des paramètres expérimentaux. Les processus décrits dans cette thèse ne nécessitent que le contrôle précis des polarisations et des phases relatives des champs lasers. Ces processus permettent l'implémentation d'un ensemble universel de portes quantiques, autorisant l'implémentation de toute autre porte quantique par combinaisons. La seconde partie de cette thèse concerne les effets de la décohérence par déphasage sur le passage adiabatique. La formule de probabilité de transition d'un système à deux niveaux tenant compte de ces effets décohérents est établie. Cette formule est valable dans les différents régimes, diabatique et adiabatique, et permet d'établir les paramètres de trajectoires elliptiques optimisant le transfert de population.
La première partie de cette thèse est consacrée à l'élaboration théorique de processus adiabatiques permettant le transfert de population entre un état initial et un état cible d'un système quantique. La stratégie du passage adiabatique parallèle pour laquelle les paramètres de couplage sont conçus de telle sorte que la différence des valeurs propres du système reste constante à chaque instant, permet de minimiser à zéro les transitions non-adiabatiques données par la formule DDP. Cette technique permet de combiner à la fois l'efficacité énergétique des méthodes impulsion-pi et la robustesse du passage adiabatique. La seconde partie de cette thèse concerne les effets de la dissipation sur le passage adiabatique. La formule de probabilité de transition d'un système à deux niveaux tenant compte des effets de la dissipation est établie. Cette formule permet de reformuler la solution générale d'un système dissipatif à deux niveaux dans la limite adiabatique qui est valable au-delà du régime de faible dissipation.
La première partie de cette thèse est consacrée à l'élaboration théorique de processus adiabatiques permettant le transfert de population entre un état initial et un état cible d'un système quantique. La stratégie du passage adiabatique parallèle pour laquelle les paramètres de couplage sont conçus de telle sorte que la différence des valeurs propres du système reste constante à chaque instant, permet de minimiser à zéro les transitions non-adiabatiques données par la formule DDP. Cette technique permet de combiner à la fois l'efficacité énergétique des méthodes impulsion-pi et la robustesse du passage adiabatique. La seconde partie de cette thèse concerne les effets de la dissipation sur le passage adiabatique. La formule de probabilité de transition d'un système à deux niveaux tenant compte des effets de la dissipation est établie. Cette formule permet de reformuler la solution générale d'un système dissipatif à deux niveaux dans la limite adiabatique qui est valable au-delà du régime de faible dissipation.
Cette thèse est consacrée au contrôle de la dynamique de systèmes quantiques par interaction avec des impulsions laser. Ces impulsions laser sont déterminées par la méthode du contrôle optimale qui peut être formulé dans l'espace de Hilbert pour les fonction d'ondes et dans l'espace de Liouville pour les matrices densité. Cette dernière approche est nécessaire pour étudier la dissipation et la décohérence. La première application concerne la localisation d'un paquet d'ondes dans l'un ou l'autre des puits d'une surface de potentiel à deux dimensions où trois bassins sont connectés par une région de biffurcation. Le modèle moléculaire correspond à l'isomérisation de H3CO en H2COH. La seconde application porte sur un modèle d'isomérisation du rétinal où seul la coordonnée de torsion est prise en compte. Les applications sur la portes logiques ont été réalisées en encodant l'information dans des niveaux vibrationnels d'un double puits à deux dimensions. Des champs permettant de simuler des transformations unitaires telles que la porte NOT, la porte CNOT et la porte HADAMARD ont été optimisés. Ces champs ont été concaténés pour simuler les quatre étapes de l'algorithme de Deutsch sur un système à deux qubits. L'influence de l'environnement a été prise en compte. Ces simulations montrent qu'il est concevable d'utiliser des degrés de liberté moléculaires avec des impulsions laser optimisées pour aller vers la calcul quantique.
La thèse est consacrée au contrôle de la dynamique de systèmes quantiques par interactions avec impulsions laser. Ces impulsions laser sont déterminées par la méthode du contrôle optimal qui peut être formulé dans l espace de Hilbert pour les fonctions d onde et dans l espace de Liouville pour les matrices densité. Cette dernière approche est nécessaire pour étudier la dissipation et la décohérence. La première application concerne la localisation d un paquet d ondes dans l un ou l autre des puits d une surface de potentiel à deux dimensions où trois bassins sont connectés par une région de bifurcation. Le modèle moléculaire correspond à l isomérisation de H3CO en H2COH. La seconde application porte sur un modèle d isomérisation du rétinal où seule la coordonnée de torsion est prise en compte. Les applications sur les portes logiques ont été réalisées en encodant l information dans des niveaux vibrationnels d un double puits à deux dimensions. Des champs permettant de simuler des transformation unitaires telles que la porte NOT, la porte CNOT et la porte HADAMARD ont été optimisées. Ces champs ont été concaténés pour simuler les quatre étapes de l algorithme de Deutsch sur un système à deux qubits. L influence de l environnement a été prise en compte. Ces simulations montrent qu il est convenable d utiliser des degrés de liberté moléculaires avec des impulsions laser optimisées pour aller vers le calcul quantique.
Cette thèse présente l'étude des phénomènes transitoires lors de l'interaction d'un atome à deux niveaux avec des impulsions quantifiées. Dans une première partie nous rappelons les bases théoriques sur lesquelles s'appuie ce manuscrit. Dans un traitement semi-classique du problème, où le champ n'est pas traité quantiquement, nous montrons qu'il est possible de réaliser des transitions non-adiabatiques à l'aide d'impulsions lumineuses non-résonantes en régime de couplage fort. Nous introduisons ensuite le modèle de Jaynes-Cummings qui permet de traiter l'ensemble du système quantiquement, pour un champ mono-mode. Dans une seconde partie, nous étudions la situation d'un atome à deux niveaux traversant un micro-maser mono-mode. Dans ce cas, ce n'est pas le champs qui est transitoire mais le terme de couplage avec l'atome. La modulation du profil du champ contenu dans la cavité permet de réaliser des transitions non-adiabatiques. \nLe système se propage alors, à l'intérieur de la cavité, dans une superposition d'états adiabatiques. L'état final en sortie de la cavité peut être compris à l'aide d'un schéma d'interférence de type Ramsay. Lorsque l'énergie incidente de l'atome est du même ordre du grandeur que l'énergie d'interaction, le déplacement du centre de masse doit être quantifié afin de prendre correctement en compte les couplages opto-mécaniques. Nous développons pour cela une approche temporelle, en définissant plusieurs temps, associés aux différents états adiabatiques. Nous étudions dans les parties suivantes les configurations où un ou deux atomes sont confinés dans un guide d'onde à une dimension. \nCette configuration permet d'obtenir un régime de couplage fort, même pour un paquet d'onde à un seul photon. Dans le cas où il n'y a qu'un seul atome nous démontrons un théorème contraignant l'aire de l'impulsion transmise. En effet, pour un régime de couplage arbitraire, l'aire de l'impulsion transmise est systématiquement nulle. La contrepartie dans le domaine spectral est que la fréquence centrale de l'impulsion, résonante avec la transition atomique, est totalement réfléchie. Dans le cas où deux atomes sont présents dans le guide d'onde, nous explorons les processus d'échanges de photons entre ces atomes. Afin de traiter correctement l'influence des photons virtuels, nous montrons que l'approximation de l'onde tournante ne doit pas être faite. La dynamique des champs rayonnés est alors comprise en la reliant aux états retardés de Dicke. L'échange de photons virtuels conduit à une modification des niveaux de ces états et à une modification significative des spectres rayonnés. L'influence de ces photons virtuels peut être modulée, et même supprimée, en ajustant la distance inter-atomique. Nous montrons que le théorème contraignant l'aire de l'impulsion reste valable dans cette situation. Finalement nous traitons dans une dernière partie de l'interaction d'un atome à deux niveaux contenus dans un guide d'onde avec des champs non-classiques arbitraires. Pour cela, nous développons une nouvelle méthode en quantifiant le flux électromagnétique. Cette méthode à la particularité de définir de nouveaux états adiabatiques globaux, similaires à ceux utilisés dans les théories semi-classiques. Cette caractéristique permet de retrouver les résultats semi-classiques dans le cas où le champ est composé d'états cohérents à grand nombre de photons. Dans le cas général, la nouvelle structure des états adiabatiques est organisée en bandes d'états. Chaque bande du modèle quantique correspond à un état unique dans le modèle semi-classique. Nous faisons alors la distinction entre couplage intra- et inter-bandes.