L’ordinateur quantique est une technologie en plein développement qui promet des applications qui sont actuellement irréalisables. Certains calculs qui sont très difficiles à résoudre pour un ordinateur classique pourraient en effet être réalisés relativement facilement sur la nouvelle architecture d’un ordinateur quantique. Les domaines qui pourraient être touchés incluent la pharmaceutique, le développement de nouveaux matériaux, la finance, la cryptographie (sécurité des données), etc. [1] Par contre, aucun calcul utile, donc qui n’aurait pas pu être fait en utilisant un ordinateur conventionnel, n’a été réalisé à ce jour. Plusieurs facteurs en jeu expliquent cette situation, en particulier la sensibilité de l’élément de base de l’ordinateur quantique, le qubit (quantum bit). Celui-ci est extrêmement sensible aux perturbations, et une bonne partie des efforts pour le développement de l’informatique quantique vont dans le sens d’améliorer les performances des qubits. Les difficultés liées aux qubits sont nombreuses. Celles explorées dans le projet de maîtrise sont la fabrication des dispositifs, le bruit thermique et la très faible puissance d’opération. Pour ce qui est de la fabrication, ce mémoire présente le travail qui a été fait sur la conception, la simulation, la fabrication et la mesure des circuits quantiques dans le but d’opérer des qubits de type transmons. Le processus de fabrication mis en place a donné des résultats encourageants même si les échantillons fabriqués n’étaient pas dans le régime voulu. De plus, la mise en place d’un laboratoire opérant des qubits requiert aussi l’implémentation de plusieurs techniques importantes pour mitiger les difficultés rencontrées pour l’opération de qubits. Celles qui ont été explorées pendant le projet de maîtrise sont le bruit thermique et la très faible puissance d’opération. Pour atténuer le bruit thermique dans les lignes micro-ondes, un nouveau type de filtre passe-bas basé sur le concept du HERD [2], le HERD 2, a été conçu, simulé et mesuré. Ce filtre, utilisant des guides d’onde d’Eccosorb pour filtrer le bruit aux hautes fréquences, est prometteur comme remplacement des technologies habituelles de protection contre le bruit thermique. Pour la difficulté de la très faible puissance, des amplificateurs paramétriques DJJAA ont été mesurés et opérés pour l’amplification à très faible bruit ajouté.
L’ordinateur quantique est une technologie en plein développement qui promet des applications qui sont actuellement irréalisables. Certains calculs qui sont très difficiles à résoudre pour un ordinateur classique pourraient en effet être réalisés relativement facilement sur la nouvelle architecture d’un ordinateur quantique. Les domaines qui pourraient être touchés incluent la pharmaceutique, le développement de nouveaux matériaux, la finance, la cryptographie (sécurité des données), etc. [1] Par contre, aucun calcul utile, donc qui n’aurait pas pu être fait en utilisant un ordinateur conventionnel, n’a été réalisé à ce jour. Plusieurs facteurs en jeu expliquent cette situation, en particulier la sensibilité de l’élément de base de l’ordinateur quantique, le qubit (quantum bit). Celui-ci est extrêmement sensible aux perturbations, et une bonne partie des efforts pour le développement de l’informatique quantique vont dans le sens d’améliorer les performances des qubits. Les difficultés liées aux qubits sont nombreuses. Celles explorées dans le projet de maîtrise sont la fabrication des dispositifs, le bruit thermique et la très faible puissance d’opération. Pour ce qui est de la fabrication, ce mémoire présente le travail qui a été fait sur la conception, la simulation, la fabrication et la mesure des circuits quantiques dans le but d’opérer des qubits de type transmons. Le processus de fabrication mis en place a donné des résultats encourageants même si les échantillons fabriqués n’étaient pas dans le régime voulu. De plus, la mise en place d’un laboratoire opérant des qubits requiert aussi l’implémentation de plusieurs techniques importantes pour mitiger les difficultés rencontrées pour l’opération de qubits. Celles qui ont été explorées pendant le projet de maîtrise sont le bruit thermique et la très faible puissance d’opération. Pour atténuer le bruit thermique dans les lignes micro-ondes, un nouveau type de filtre passe-bas basé sur le concept du HERD [2], le HERD 2, a été conçu, simulé et mesuré. Ce filtre, utilisant des guides d’onde d’Eccosorb pour filtrer le bruit aux hautes fréquences, est prometteur comme remplacement des technologies habituelles de protection contre le bruit thermique. Pour la difficulté de la très faible puissance, des amplificateurs paramétriques DJJAA ont été mesurés et opérés pour l’amplification à très faible bruit ajouté.
Les circuits supraconducteurs quantiques constituent une plateforme de pointe pour le traitement de l’information quantique. L’utilisation de ce type de circuits en tant que qubits est en partie motivée par la grande flexibilité avec laquelle ces dispositifs peuvent être fabriqués. Cette flexibilité fait en sorte que les circuits supraconducteurs sont attractifs comme une architecture pour le design des qubits, des amplificateurs, des détecteurs de photons et d’autres dispositifs quantiques. Le domaine des qubits supraconducteurs est en rapide évolution depuis quelques an nées, ce qui a conduit à un certain nombre d’avancées majeures, dont la récente démonstration de la suprématie computationnelle quantique. Cela a été possible en partie grâce à l’introduction de l’architecture de l’électrodynamique quantique des circuits, et du qubit transmon. Le qubit transmon est protégé contre la source de bruit la plus nuisible dans les dispositifs mésoscopiques (bruit de charge), tout en possédant un design simple permettant sa mise en l’échelle. Cependant, malgré le succès retentissant du qubit transmon, d’autres qubits supraconducteurs, tels que le fluxonium et les circuits 0 − π, ont en principe le potentiel d’être plus performants. En particulier, le qubit 0 − π utilise des modes de circuit à haute impédance qui sont réalisés en utilisant de grandes inductances (ou superinductances) afin de rendre le système insensible au bruit de flux. Les superinductances, ainsi que les dispositifs de fluxonium et de 0 − π qubit, sont le principal objet de cette thèse.
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.
Les qubits de spin dans des boîtes quantiques sont des candidats prometteurs comme unités de base d'un ordinateur quantique en raison de leur long temps de cohérence. Une approche pour contrôler et manipuler ces qubits est de faire des mesures non destructives sur ceux-ci. Le couplage d'une boîte quantique avec une cavité micro-onde supraconductrice permet d'e ectuer ce type de mesures. Avant de commencer tout calcul quantique, il est nécessaire d'initialiser les qubits dans un état connu. Actuellement, la relaxation contrôlée par un bain thermique et la rétroaction conditionnelle sont deux techniques utilisées pour initialiser un qubit. Ces deux techniques nécessitent de travailler à des températures très basses de l'ordre des dizaines aux centaines de mK avec une délité limitée. En outre, comme les qubits de spin sont généralement des systèmes bien isolés, ils ont des temps de relaxation longs. Ceci fait en sorte qu'une approche passive d'attente que le qubit retourne dans son état fondamental sera typiquement longue, ce qui mènera à un temps d'initialisation appréciable dans un calcul quantique. L'objectif du présent travail est de développer une nouvelle approche active par asservissement qui permet d'atteindre toute délité, qui est rapide et qui permet de travailler à de plus hautes températures de l'ordre du Kelvin, ce qui est important expérimentalement et pour les développements actuels. Pour ce faire, on considère un qubit de spin couplé à un résonateur micro-onde supraconducteur. Le couplage est fait d'une manière dispersive. Ceci permet de réaliser des mesures non-destructives sur le qubit. Des simulations numériques montrent la validité de l'opérateur de mesure utilisé dans cette étude. Le contrôle du qubit se fait directement sur celui-ci en utilisant un opérateur de rotation. La loi de rétroaction consiste à calculer les paramètres de cet opérateur à chaque itération de la boucle de rétroaction. Les résultats numériques incluant la décohérence montrent la possibilité d'initialiser un qubit dans l'état|0i à l'intérieur d'un temps de 2 µs pour une délité minimale xée à 99.9 %.. L'approche est comparée aux méthodes usuelles de relaxation et de rétroaction conditionnelle qui donnent de moins bons résultat.
Centenaire, la physique quantique a permis des inventions majeures tels le laser ou le transistor, élément de base de nos ordinateurs et smartphones et, par conséquent, de notre civilisation de l’information et de la télécommunication. Désormais, une seconde révolution est en cours, celle de l’information quantique dont l’unité n’est plus le bit mais le bit quantique - dit qubit. Le monde quantique est un univers particulier, celui des particules atomiques et subatomiques, où règnent les probabilités et les concepts de superposition, de non-clonage et d’intrigante intrication. Les progrès parallèles et continus de la recherche et de la technologie ont permis de valider et d’exploiter ces phénomènes, et de développer notre capacité à manipuler des objets quantiques individuels (atomes, électrons, photons) pour y stocker, traiter et lire des qubits. Ces progrès ont conduit à l’émergence d'une nouvelle génération d’appareils, dont certains, déjà commercialisés, pourraient révolutionner des domaines aussi variés que la métrologie, les télécommunications et l’informatique, tant ils surpasseraient les performances des technologies existantes. En métrologie, l’extrême sensibilité des objets quantiques aux influences externes les rend idéaux pour la réalisation de mesures de grandeurs physiques à haute précision, mais certains dispositifs devront être miniaturisés. Les télécommunications cryptées sont dès aujourd’hui sous la menace d’un futur ordinateur quantique dont la puissance de calcul exponentielle pourrait casser les cryptosystèmes actuellement utilisés, mais l’intrication et l’impossibilité de cloner les qubits apporteraient une solution quantique… à la menace quantique Enfin, en exploitant les superposition et intrication de qubits, les ordinateurs quantiques pourraient effectuer des calculs totalement inaccessibles aux supercalculateurs classiques, ce qui profiterait à de nombreuses industries (chimie, énergie, transport…). Cependant, les qubits actuels sont trop bruités et les erreurs de calculs trop nombreuses. Des protocoles de correction sont proposés mais ils nécessiteront l’intégration d’un grand nombre de qubits de meilleure qualité si bien que les ressources nécessaires pour les mettre en place vont bien au-delà des capacités de la technologie existante. En attendant, des solutions matérielles et algorithmiques, adaptables à la situation actuelle, sont explorées pour démontrer un réel avantage quantique sur un cas d’usage pratique.
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.
La correction d'erreurs quantiques et les protocoles tolérants aux fautes ont été développés pour protéger l'information quantique d'inévitables erreurs affectant les bits quantiques, les qubits. Ces aspects de l'informatique quantique sont toutefois très coûteux en termes de ressources physiques ce qui représente un grand défi pour la réalisation expérimentale. Plusieurs études ont montré que les qubits présentant un modèle d'erreurs ayant une certaine structure dite asymétrique permettent l'optimisation de la correction d'erreurs et de protocoles tolérants aux fautes. Cette optimisation mène à l'amélioration de la performance de la correction d'erreurs et une diminution des ressources nécessaires aux algorithmes tolérants aux fautes. Dans ce mémoire, nous étudions le qubit de chats composé d'états chats stabilisés dans un résonateur supraconducteur micro-ondes dans l'architecture de l'électrodynamique quantique en circuit. Nous montrons que le modèle d'erreurs du qubit de chats, donné par la perte de photons, possède la propriété d'asymétrie. La performance de la correction d'erreurs est évaluée avec ce modèle d'erreurs et nous montrons qu'il est avantageux en principe d'utiliser le qubit de chats. Finalement, nous développons une opération quantique importante avec le qubit de chats. Cette opération permet l'intrication entre deux qubits et elle possède la propriété cruciale de préserver le bruit asymétrique, un aspect souvent impossible pour cette opération avec un qubit typique. L'utilisation de cette opération procure des avantages majeurs aux protocoles tolérants aux fautes permettant une protection efficace contre le bruit asymétrique.