1. Objectif et périmètre de l'essai Ce protocole définit les étapes expérimentales pour valider la fonctionnalité du Lozac'h Double Qubit : un système à deux qubits couplés, fabriqué à partir de verre borosilicate dopé bore (3-5% B) sur graphite pyrolytique, avec une couche intermédiaire de nitrure de bore hexagonal (h-BN, 8 nm total) contenant une électrode en or ultra-mince (2 nm) servant de porte de couplage RF commutable.
Objectif et périmètre de l'essai Ce protocole définit les étapes expérimentales pour valider la fonctionnalité du Lozac'h Double Qubit : un système à deux qubits couplés, fabriqué à partir de verre borosilicate dopé bore (3-5% B) sur graphite pyrolytique, avec une couche intermédiaire de nitrure de bore hexagonal (h-BN, 8 nm total) contenant une électrode en or ultra-mince (2 nm) servant de porte de couplage RF commutable.
Abstract Nous présentons la version 2.0, dite "Réaliste Edition", du Lozac'h Double Qubit : un système à deux qubits de spin couplés, fabriqué à partir de verre borosilicate dopé bore (3-5% B) sur graphite pyrolytique (HOPG), avec une couche de couplage en nitrure de bore hexagonal (h-BN, 8 nm) intégrant une électrode en or de 2 nm servant de porte RF commutable. Par rapport à la version 1.0, cette version adopte des paramètres de cohérence réalistes pour un verre amorphe : T2 (spins électroniques) = 2-12 µs à 233 K, contre des valeurs optimistes de 100 ms précédemment annoncées. Les simulations numériques (Hahn Echo, oscillations de Rabi, crosstalk A-B) sont présentées et discutées honnêtement, incluant leurs limitations. Le modèle thermique prédit keff = 3.3-4.4 W/m·K pour du HOPG commercial (k_graphite = 4-6 W/m·K cross-plane). La comparaison avec les plateformes concurrentes (supraconducteurs, diamant NV, ions piégés, SiC) montre que cette architecture occupe un créneau unique : coût < 10 k€ pour un démonstrateur complet, sans cryogénie lourde, compatible CMOS. Mots-clés : qubit, verre boré, graphite, h-BN, couplage RF, température ambiante.
Abstract Nous présentons la version 3.0 du Lozac'h Double Qubit, corrigeant une erreur fondamentale de la v2.0 : la simulation de crosstalk A-B utilisait un préfacteur arbitraire (saturation à 50% codée en dur), sans base physique. Le calcul rigoureux du couplage dipolaire magnétique réel donne J = 8.27×10⁻⁶ Hz à 10 µm de séparation, soit un temps de couplage de 33 heures et un crosstalk de 0.000000% sur 200 µs — quatre ordres de grandeur sous le critère Go de 12%. Deux mécanismes additionnels ont été simulés : le bruit de champ magnétique commun B₀ (crosstalk < 0.031% même en labo non blindé) et le couplage via phonons différentiels du graphite (< 10% au pic à 2.17 GHz, < 5% avec HOPG réel amorti). L'architecture est validée sur les trois mécanismes. Les temps de cohérence réalistes restent T2 = 2-12 µs (spins électroniques, verre amorphe, 233 K). Le modèle thermique donne keff = 3.3-4.4 W/m·K pour du HOPG commercial. La comparaison marché confirme un positionnement unique : démonstrateur 2 qubits à < 10 k€ sans cryogénie, compatible CMOS, sur wafer 100 mm.
Nous proposons un cadre conceptuel d'ordinateur quantique fondé sur l'encodage de qubits dans la chiralité de nœuds topologiques non triviaux. Le qubit logique élémentaire identifie l'état quantique |0⟩ = |K⟩ à |1⟩ = |K*⟩ (image miroir), permettant la superposition cohérente α|K⟩ + β|K*⟩ pour un type de nœud non amphichiral K. Les portes logiques sont implémentées par tressage : un opérateur de Reshetikhin–Turaev appliqué à n qubits réalise l'action du groupe de tresses Bn sur l'espace de Hilbert SU(2)k correspondant, à un niveau de Chern–Simons k qui peut être choisi grand. Une proposition d'universalité topologique est énoncée. Avantage central : protection topologique exponentielle Taux de transition spontanée supprimé exponentiellement en k (barrière de Chern–Simons) Aucune correction d'erreur active nécessaire pour les qubits eux-mêmes Seules les portes sont soumises à des erreurs de trajectoire de tressage, corrigibles par codes topologiques standards Trois prédictions falsifiables, indépendantes du détail d'implémentation matérielle : Croissance exponentielle de la durée de cohérence avec le nombre de croisements du nœud servant de support au qubit Signature spectroscopique du couplage chiral correspondant à la phase de violation CP du trèfle calculée indépendamment dans le papier compagnon (doi:10.5281/zenodo.20552673) Seuil de température critique au-dessous duquel la protection topologique domine la décohérence thermique Chacune peut être validée ou réfutée sur un prototype expérimental. L'objectif scientifique de ce travail est de proposer le principe et les tests permettant de le valider, plutôt que de prétendre à une réalisation aboutie : c'est l'expérience qui tranchera. La traduction du cadre théorique en architecture matérielle concrète est l'objet d'une demande de brevet distincte et n'est pas abordée dans le présent article. Cadre théorique de référence : monographe TQNT-V5 (doi:10.5281/zenodo.19131538). Papiers connexes : Une phase de violation CP à partir du polynôme de Jones (doi:10.5281/zenodo.20552673), De la conjecture AJ à la dynamique de Schrödinger émergente (doi:10.5281/zenodo.20552914). Code source : github.com/CA9-sas/TQNT.
Les travaux présentés dans ce mémoire portent sur l'élaboration d'une plateforme expérimentale permettant la création d'états de chats qui sont des candidats prometteurs pour l'implémentation de codes de correction d'erreurs. Ces états ont été créés dans une architecture d'électrodynamique quantique en circuit dans laquelle un qubit ancillaire permet le contrôle et la manipulation de l'état de chat encodé dans un oscillateur harmonique. Dans cette architecture, les photons micro-ondes d'une cavité de haute qualité interagissent avec un qubit supraconducteur de type transmon en régime dispersif permettent l'encodage de tels états. Pour opérer ce dispositif, un montage expérimental permettant le contrôle du qubit ancillaire et de la cavité ainsi que la lecture dispersive du qubit a été mis en œuvre. Les états de chats sont encodés à l'aide du protocole qcMAP, un protocole tiré de la littérature. Pour y parvenir, différentes techniques de caractérisation ont été utilisées permettant d'extraire les propriétés pertinentes à l'opération du dispositif et l'implémentation de ce protocole. La tomographie de l'état à chaque étape du protocole permet de confirmer qu'il est possible d'implémenter des états de chats avec la méthode expérimentale présentée. Cela démontre aussi qu'il est possible d'effectuer les portes permettant le contrôle de la cavité et du qubit ancillaire. Le contrôle de la phase de l'état de chat confirme qu'il est possible de faire du contrôle cohérent, ce qui ouvre la porte à la création d'états plus complexes. Puis finalement, une modification de la taille de l'état de chat permet d'en apprendre davantage sur les mécanismes venant affecter la fidélité. La fidélité maximale de l'état de chat F=0.85 est principalement limitée par la décohérence du qubit ancillaire utilisé pour l'encodage de l'état. Finalement, ces travaux ont permis d'ouvrir la porte sur l'implémentation expérimentale de codes bosoniques à l'Université de Sherbrooke et à l'Institut Quantique.
Cette thèse porte sur l'implémentation de plusieurs portes quantiques logiques qui peuvent être utiles pour des applications en traitement de l'information quantique et qui vont permettre de réaliser physiquement les opérations nécessaires aux calculs sur les qubits. Nous avons au début de cette thèse, implémenté une porte de phase à 4 qubits. Les qubits sont représentés par l'état des photons dans la cavité qui est en interaction avec un atome à cinq niveaux. La seconde partie de cette thèse est consacrée à la réalisation physique de deux portes quantiques universelles (iSWAP et Fredkin). Nous avons utilisé trois types de qubits: qubits photoniques et atomiques et qubits double-voie (dual-rail qubits). Nous étudions ensuite comment implémenter une porte de phase quantique à plusieurs qubits (porte NTCP) avec un qubit de contrôle contrôlant simultanément N qubits cibles. Dans ce système (N atomes à deux niveaux + un mode de la cavité) nous tenons compte de l'interaction dipôle-dipôle (atome-atome) en plus de l'interaction atome-cavité. Finalement nous présentons un nouveau moyen pour faire des calculs quantiques avec des qubits atomiques dans une cavité QED. Ces qubits logiques sont encodés en tant que deux atomes de Rydberg circulaires avec un qui est dans l'état fondamental et l'autre dans l'état excité. Cela nous a permis de construire une suite universelle de portes logiques (deux rotations X et Z sur la sphère de Bloch et une porte CNOT). La faisabilité expérimentale de toutes ces portes quantiques a aussi été étudiée en calculant le temps d'implémentation de chaque porte quantique ainsi que la fidélité associée au traitement quantique de tous les systèmes proposés dans cette thèse.
Mesures quantiques utilisant une molécule artificielle supraconductrice en électrodynamiques quantique des circuits En circuit-QED, la technique la plus usuelle pour lire l'état d'un qubit est d'utiliser le couplage transverse entre le qubit et une cavité micro-onde dans la limite dispersive. Cependant, malgré d'importants progrès au cours de cette décennie, obtenir une lecture rapide, en un seul coup et hautement fidèle d'un qubit reste un défi majeur. En effet, la distinction de l'état d'un qubit est limitée par le compromis entre vitesse d'acquisition et précision. Cette limite a pour origine le couplage transverse qui impose deux importantes contraintes expérimentales : premièrement, augmenter les interactions pour lire plus rapidement restreint la durée de vie du qubit via l'effet Purcell. La seconde contrainte est sur la force du signal, qui est limitée pour éviter des transitions non voulues et induites par la mesure. Par conséquent, le défi expérimental à relever avec le couplage transverse est d'acquérir un signal faible en un temps court...Pour surmonter ces limitations, nous voulons changer de paradigme en introduisant un nouveau schéma de lecture qui se base sur un couplage cross-Kerr direct. Ce schéma est obtenu grâce à une molécule artificielle supraconductrice couplée à une cavité micro-onde 3D. La molécule est construite en couplant inductivement deux atomes transmons supraconducteurs. Elle manifeste alors deux modes propres : le mode symétrique qubit transmon et le mode antisymétrique ancilla. En insérant cette molécule dans la cavité de manière optimale, une hybridation transverse entre l'ancilla et la cavité conduit à deux résonateurs faiblement anharmoniques, appelés polaritons. Ces derniers possèdent un couplage cross-Kerr direct et large avec le qubit transmon. En mesurant le signal micro-onde transmis par un polariton, l'état du qubit peut être résolu.Théoriquement, dans ce nouveau paradigme, le qubit est immunisé contre les limitations du couplage transverse tel que l'effet Purcell. Cependant, pour les deux échantillons étudiés, un couplage transverse résiduel existe à cause d'imperfections expérimentales. Même faible, il limite pour l'instant la durée de vie du qubit et nos performances de lecture. Malgré cela, nous avons obtenu une lecture du qubit en un seul coup avec une fidélité allant jusqu'à 97.2 % en 500 ns par une mesure dite de verrouillage grâce à la non-linéarité du polariton. Dans une limite linéaire à faible nombre de photons, nous démontrons une fidélité atteignant 94.7 % en seulement 50 ns de lecture grâce à l'ajout d'un amplificateur paramétrique Josephson. Dans ce régime, les sauts quantiques sont résolus et le qubit est lu de manière non-destructive 99.2 % du temps.