Le domaine de l'informatique quantique a connu un essor important au cours des dernières années. Parmi les différentes architectures, les qubits de spin sont prometteurs grâce à leur long temps de cohérence et leur compatibilité avec les méthodes de fabrication industrielle. Par contre, plusieurs défis restent à relever afin de mettre à l'échelle cette technologie. Par exemple, la variabilité dans la fabrication complique l'initialisation des qubits, qui est déjà longue et complexe, et la taille nanométrique des qubits engendre de la diaphonie entre eux. Ces défis ne font que s'empirer lorsque le nombre de qubits dans le processeur augmente. Parmi les étapes d'initialisation qui doivent être accélérées, l'initialisation des boites quantiques dans le régime à un électron est une étape importante. Cette thèse porte donc sur différentes méthodes servant à faciliter spécifiquement cette étape d'initialisation. Un des principaux goulots d'étranglement est l'acquisition de diagrammes de stabilité : la mesure servant à identifier le nombre d'électrons contenu dans chaque boite quantique. Une plateforme de caractérisation rapide a donc été développée afin d'utiliser la faible latence des FPGA pour mesurer plus rapidement les diagrammes de stabilité. La plateforme utilise le « Quantum Engineering Toolkit » de Keysight où la séquence de mesure des diagrammes de stabilité a été programmée dans les FPGA des appareils de contrôle. À cette plateforme, un module de grilles virtuelles a été ajouté afin de pouvoir retirer le couplage capacitif entre les grilles électrostatiques des boites quantiques et ainsi faciliter leur initialisation et leur contrôle. Il est donc possible de faire des mesures rapides de diagrammes de stabilité avec grilles virtuelles simultanément. De plus, un module d'émulateur de boite quantique a également été développé afin de tester certaines routines de mesure et d'initialisation automatique sans avoir besoin d'un dispositif fonctionnel installé dans un cryostat. Finalement, la plateforme de caractérisation rapide a été utilisée pour accélérer un algorithme d'initialisation automatique. L'impact des mesures rapides sur la performance de l'algorithme a été évalué et a permis d'identifier les goulots d'étranglement. Le développement de tous ces outils représente une avancée importante pour la mise à l'échelle des processeurs quantiques basés sur les qubits de spin.
Le domaine de l'informatique quantique a connu un essor important au cours des dernières années. Parmi les différentes architectures, les qubits de spin sont prometteurs grâce à leur long temps de cohérence et leur compatibilité avec les méthodes de fabrication industrielle. Par contre, plusieurs défis restent à relever afin de mettre à l'échelle cette technologie. Par exemple, la variabilité dans la fabrication complique l'initialisation des qubits, qui est déjà longue et complexe, et la taille nanométrique des qubits engendre de la diaphonie entre eux. Ces défis ne font que s'empirer lorsque le nombre de qubits dans le processeur augmente. Parmi les étapes d'initialisation qui doivent être accélérées, l'initialisation des boites quantiques dans le régime à un électron est une étape importante. Cette thèse porte donc sur différentes méthodes servant à faciliter spécifiquement cette étape d'initialisation. Un des principaux goulots d'étranglement est l'acquisition de diagrammes de stabilité : la mesure servant à identifier le nombre d'électrons contenu dans chaque boite quantique. Une plateforme de caractérisation rapide a donc été développée afin d'utiliser la faible latence des FPGA pour mesurer plus rapidement les diagrammes de stabilité. La plateforme utilise le « Quantum Engineering Toolkit » de Keysight où la séquence de mesure des diagrammes de stabilité a été programmée dans les FPGA des appareils de contrôle. À cette plateforme, un module de grilles virtuelles a été ajouté afin de pouvoir retirer le couplage capacitif entre les grilles électrostatiques des boites quantiques et ainsi faciliter leur initialisation et leur contrôle. Il est donc possible de faire des mesures rapides de diagrammes de stabilité avec grilles virtuelles simultanément. De plus, un module d'émulateur de boite quantique a également été développé afin de tester certaines routines de mesure et d'initialisation automatique sans avoir besoin d'un dispositif fonctionnel installé dans un cryostat. Finalement, la plateforme de caractérisation rapide a été utilisée pour accélérer un algorithme d'initialisation automatique. L'impact des mesures rapides sur la performance de l'algorithme a été évalué et a permis d'identifier les goulots d'étranglement. Le développement de tous ces outils représente une avancée importante pour la mise à l'échelle des processeurs quantiques basés sur les qubits de spin.
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.
Les circuits supraconducteurs représentent une plateforme de choix pour le développement de technologies quantiques en raison de leurs propriétés de cohérence et de notre habilité à concevoir et à manipuler leur dynamique quantique de manière flexible. La réalisation de technologies ayant le potentiel de s’avérer utiles pour la société, telles qu’un ordinateur quantique tolérant aux fautes, nécessite cependant d’augmenter considérablement notre capacité à réaliser des opérations quantiques spécifiques sur ces systèmes et ce sans engendrer d’erreurs. Pour ce faire, il est nécessaire d’améliorer à la fois notre caractérisation, notre modélisation et notre contrôle des dispositifs quantiques afin d’être en mesure de comprendre et d’atténuer de façon pratique les sources d’erreurs qui limitent les performances actuelles. Mes travaux s’attaquent à cette problématique en développant de nouvelles approches pour sonder les qubits supraconducteurs, pour utiliser l’information acquise afin de concevoir des descriptions simplifiées de leur fonctionnement et de leurs imperfections, puis finalement pour optimiser nos contrôles externes sur ces modèles afin de réaliser des opérations avec des erreurs minimales. Plus spécifiquement, je me suis d’abord intéressé à la modélisation et à la simulation de la première expérience de correction d’erreurs quantiques avec des qubits supraconducteurs, laquelle a été réalisée dans le groupe d’Andreas Wallraff à l’ETH Zürich. Notre description numérique de cette expérience impliquant 17 qubits a permis de démontrer notre compréhension des résultats expérimentaux en plus d’étudier l’effet des différentes sources d’erreurs qui devront être mitigées dans les expériences futures. Dans l’objectif de contribuer concrètement à la réalisation d’opérations quantiques avec de meilleures fidélités, j’ai ensuite développé une méthodologie combinant l’apprentissage automatique et le contrôle optimal quantique. Cette approche a le potentiel de s’avérer fort utile en raison de sa simplicité d’utilisation et de son efficacité, lesquelles sont démontrées ici sur le contrôle d’un qubit supraconducteur. En collaboration avec le groupe de recherche chez Google Quantum AI, je me suis ensuite intéressé à la caractérisation précise des opérations réalisées sur des dispositifs comportant des dizaines de qubits. Nous avons développé deux protocoles qui sont robustes et très efficaces afin d’extraire une description des portes logiques qui peut directement être utilisée afin de calibrer ces opérations. Finalement, j’ai contribué à la conception d’une approche numérique permettant de résoudre des problèmes arbitraires d’optimisation sur les dynamiques de grands systèmes quantiques ouverts. Cette méthode possède un coût en mémoire minimal, ce qui nous permet de nous attaquer à des problèmes de contrôle optimal qui étaient autrement inaccessibles, comme l’optimisation de la mesure dispersive d’un qubit supraconducteur décrite par un modèle réaliste. Somme toute, mes travaux présentent plusieurs exemples où une approche basée sur un modèle et une compréhension physique nous permet de combiner la caractérisation au contrôle afin de contribuer concrètement au développement de technologies quantiques.
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.
La course pour l’ordinateur quantique bat son plein, avec de multiple e!ort public et privé pour construire des ordinateurs quantiques à grande échelle. Parmi les défis à relever pour construire de tels ordinateurs, la lecture rapide et précise de l’état des qubits est un enjeu majeur. En e!et, la lecture est une étape cruciale dans l’exécution d’algorithmes quantiques, ainsi que dans la correction d’erreur quantique. Cette lecture doit être rapide et précise. Afin d’y arriver, il est possible de faire varier la forme du contrôle utilisé pour exciter le résonateur de lecture. Cependant, trouver une forme de contrôle optimale pour la lecture est un défi. En fait, le contrôle optimal quantique est un domaine de recherche qui vise à utiliser des méthodes d’optimisation pour trouver des formes de contrôle optimales. Dans ce mémoire, on applique le contrôle optimal à l’amélioration de la mesure, et ce pour deux situations. Premièrement, on utilise cette méthode pour améliorer la mesure du qubit fluxonium en profitant, en particulier, de la possibilité de changer le flux dans la boucle de ce qubit en fonction du temps. En utilisant cet outil, il a été possible d’obtenir une amélioration d’un ordre de grandeur de la précision de la lecture standard du fluxonium. En modifiant le flux en cours de mesure, cette amélioration est encore plus significative, avec une amélioration de plus de deux ordres de grandeur. Dans un deuxième temps, on applique le contrôle quantique afin d’améliorer un nouveau type de mesure des qubits transmons : la mesure par jonction. Dans ce contexte, l’outil d’optimisation a permis d’améliorer significativement la lecture par jonction du transmon, en réduisant le temps de réinitialisation du résonateur. Ces résultats démontrent le potentiel de l’utilisation du contrôle optimal quantique comme outil pour l’amélioration de la lecture de différents types de qubits.
Ces dernières années la recherche en informatique quantique a pris son essor,motivée par le développement d’un ordinateur quantique avec des capacités de calculinégalées afin de résoudre des problématiques complexes. Diverses technologies ont déjàémergé pour l’implémentation des processeurs quantiques mais la réalisation de calculateurspeu encombrants reste un objectif à atteindre. L’utilisation des technologies Silicium est unesolution émergente dans la construction d’un ordinateur intégrable à large échelle. À l’heureactuelle les setups de contrôle/lecture des processeurs quantiques sur Silicium nécessitent ladescente de signaux RF à très basse température entraînant une forte limitation dû au grandnombre d’interconnections permettant de conduire individuellement les signaux jusqu’auprocesseur quantique. Le besoin d’étudier des approches vers la mise à l’échelle est doncnécessaire afin de manipuler/lire simultanément plusieurs qubits de spin. Les travauxprésentés dans cette thèse ont pour objectif d’explorer le besoin RF spécifique à la lecturelarge échelle de qubits implémentés sur Silicium. Afin de réaliser cela, l’analyse d’une mesuremulti-qubits basée sur la technique de lecture par réflectométrie sur grille a été menée.L’approche présentée dans cette étude intègre un démultiplexage fréquentiel à bassetempérature et une synthèse de fréquence multi-tons à température ambiante. Ces travaux ontconduit à la proposition d’un prototype de circuit intégré pour la génération de fréquencemulti-tons dont l’architecture innovante fonctionnant dans la gamme de fréquences du GHzest basée sur la recombinaison de deux oscillateurs à génération d’harmoniques.
Ce mémoire présente le programme conçu et mis en oeuvre pour l'initialisation d'une boîte quantique au régime à un électron. Ce dernier a été conçu pour des dispositifs fonctionnant en accumulation de type métal-oxyde-semiconducteur dans le silicium et dont la mesure du niveau d'occupation de la boîte quantique est effectuée à l'aide d'un transistor mono-électronique. Divers outils d'analyse et de reconnaissance d'image ont été adaptés et mis au point dans les modules de traitement de signal et de reconnaissance d'image qui, ensemble, permettent au programme d'extraire toute l'information qui lui est pertinente d'une mesure expérimentale. La séquence des mesures effectuées par le module de prise de décision du programme permet d'obtenir un gain allant jusqu'à un ordre de grandeur sur le temps requis pour initialiser le dispositif par rapport au temps que requière la mesure d'un diagramme de stabilité. Le développement de ces outils constitue une expertise nouvelle dans le groupe de recherche du professeur Pioro-Ladrière mais également une contribution nouvelle dans le domaine des qubits de spin dans les boîtes quantiques. Ce travail est une étape importante vers la conception et la réalisation d'un programme pouvant initialiser un dispositif comprenant plusieurs boîtes quantiques. Il permettra aux expérimentateurs de sauver plusieurs centaines d'heures servant au filtrage des échantillons défectueux et à l'initialisation des dispositifs fonctionnels en un seul clic.