Contrôle quantique optimal et robuste dans des systèmes de petite dimension La théorie du contrôle optimal (OCT) est une méthode pour obtenir les solutions optimales de systèmes quantiques contrôlés par des champs externes, fournissant un ensemble puissant d'outils et de concepts. L'un des objectifs de la thèse est d'adapter la technique OCT dans des systèmes quantiques à deux et trois états en tenant compte des pertes et de la robustesse, ce qui est primordial pour la mise en œuvre de techniques de contrôle dans une large classe de plateformes.Sur la base de techniques d'ingénierie inverse et du principe du maximum de Pontryagin (PMP), nous établissons et testons les différentes stratégies optimales montrant comment contrôler le transfert dans des systèmes quantiques à trois niveaux en considérant des solutions optimales en énergie et en temps minimum en tenant compte des pertes. Ces résultats montrent en particulier que le passage adiabatique habituel dans de tels systèmes, connu sous le nom de passage adiabatique Raman stimulé (STIRAP), qui conduit à un transfert imparfait, peut être rendu exact, réalisant ainsi le passage exact de Raman stimulé (STIREP) tout en réduisant l'énergie et la durée des contrôles.Un des objectifs consiste à développer une nouvelle technique qui permet de combiner robustesse et optimisation. Plutôt que d'utiliser une procédure d'optimisation directe comme la technique OCT, nous développons une technique d'optimisation géométrique qui permet de dériver des solutions optimales et robustes à partir d'une optimisation inverse. La méthode appelée optimisation inverse robuste (RIO) permet d'obtenir des trajectoires numériques qui peuvent être rendues aussi précises que nécessaire. La méthode est polyvalente et peut être appliquée à divers types d'erreurs et de problèmes de contrôle quantique.
Contrôle quantique optimal et robuste dans des systèmes de petite dimension La théorie du contrôle optimal (OCT) est une méthode pour obtenir les solutions optimales de systèmes quantiques contrôlés par des champs externes, fournissant un ensemble puissant d'outils et de concepts. L'un des objectifs de la thèse est d'adapter la technique OCT dans des systèmes quantiques à deux et trois états en tenant compte des pertes et de la robustesse, ce qui est primordial pour la mise en œuvre de techniques de contrôle dans une large classe de plateformes.Sur la base de techniques d'ingénierie inverse et du principe du maximum de Pontryagin (PMP), nous établissons et testons les différentes stratégies optimales montrant comment contrôler le transfert dans des systèmes quantiques à trois niveaux en considérant des solutions optimales en énergie et en temps minimum en tenant compte des pertes. Ces résultats montrent en particulier que le passage adiabatique habituel dans de tels systèmes, connu sous le nom de passage adiabatique Raman stimulé (STIRAP), qui conduit à un transfert imparfait, peut être rendu exact, réalisant ainsi le passage exact de Raman stimulé (STIREP) tout en réduisant l'énergie et la durée des contrôles.Un des objectifs consiste à développer une nouvelle technique qui permet de combiner robustesse et optimisation. Plutôt que d'utiliser une procédure d'optimisation directe comme la technique OCT, nous développons une technique d'optimisation géométrique qui permet de dériver des solutions optimales et robustes à partir d'une optimisation inverse. La méthode appelée optimisation inverse robuste (RIO) permet d'obtenir des trajectoires numériques qui peuvent être rendues aussi précises que nécessaire. La méthode est polyvalente et peut être appliquée à divers types d'erreurs et de problèmes de contrôle quantique.
Contrôle robuste pour les technologies quantiques Nous considérons l'optimisation géométrique inverse robuste de transferts de population arbitraires et de portes à un seul qubit dans un système à deux niveaux.La robustesse vis-à-vis des inhomogénéités d'impulsion est démontrée.Nous montrons que pour l'optimisation du temps ou de l'énergie, l'amplitude de l'impulsion est constante, et nous fournissons la forme analytique du désaccord en fréquence comme cosinus elliptique de Jacobi.Nous traitons la tâche de transfert complet et robuste de population sur un système quantique à 3 niveaux en configuration lambda.Tout d'abord, nous utilisons la méthode de Lewis-Riesenfeld pour dériver une famille de solutions conduisant à un transfert exact.Parmi cette famille, nous identifions une solution de suivi avec un seul paramètre pour contrôler simultanément la fidélité du transfert, la population de l'état excité, et la robustesse.La robustesse de l'ultra-haute fidélité des impulsions formées s'avère supérieure à celle des impulsions gaussiennes et des impulsions optimisées adiabatiquement pour des aires d'impulsion modérées.Deuxièmement, nous appliquons une optimisation inverse robuste pour générer un passage exact Raman stimulé (STIREP) en considérant la perte de l'état supérieur comme un paramètre de caractérisation.Les formes temporelles des champs de contrôle, robustes vis-à-vis des inhomogénéités d'impulsion, qui sont optimales par rapport à l'aire d'impulsion, l'énergie et la durée, forment une séquence simple avec une combinaison de paires d'impulsions intuitive (près du début et de la fin) et contre-intuitive (au centre).D'autres solutions optimales robustes présentant des pertes plus faibles, des aires d'impulsion plus grandes et des séquences d'impulsion totalement contre-intuitives sont dérivées.
Nous considérons l'optimisation géométrique inverse robuste de transferts de population arbitraires et de portes à un seul qubit dans un système à deux niveaux.La robustesse vis-à-vis des inhomogénéités d'impulsion est démontrée.Nous montrons que pour l'optimisation du temps ou de l'énergie, l'amplitude de l'impulsion est constante, et nous fournissons la forme analytique du désaccord en fréquence comme cosinus elliptique de Jacobi.Nous traitons la tâche de transfert complet et robuste de population sur un système quantique à 3 niveaux en configuration lambda.Tout d'abord, nous utilisons la méthode de Lewis-Riesenfeld pour dériver une famille de solutions conduisant à un transfert exact.Parmi cette famille, nous identifions une solution de suivi avec un seul paramètre pour contrôler simultanément la fidélité du transfert, la population de l'état excité, et la robustesse.La robustesse de l'ultra-haute fidélité des impulsions formées s'avère supérieure à celle des impulsions gaussiennes et des impulsions optimisées adiabatiquement pour des aires d'impulsion modérées.Deuxièmement, nous appliquons une optimisation inverse robuste pour générer un passage exact Raman stimulé (STIREP) en considérant la perte de l'état supérieur comme un paramètre de caractérisation.Les formes temporelles des champs de contrôle, robustes vis-à-vis des inhomogénéités d'impulsion, qui sont optimales par rapport à l'aire d'impulsion, l'énergie et la durée, forment une séquence simple avec une combinaison de paires d'impulsions intuitive (près du début et de la fin) et contre-intuitive (au centre).D'autres solutions optimales robustes présentant des pertes plus faibles, des aires d'impulsion plus grandes et des séquences d'impulsion totalement contre-intuitives sont dérivées.
Ingénierie des impulsions de contrôle des systèmes quantiques non-linéaires Le contrôle quantique est un outil essentiel au cœur des technologies quantiques. La capacité à contrôler des processus dynamiques quantiques afin de les guider vers un état cible ou un propagateur souhaité (pour réaliser une porte logique quantique) à l'aide de champs externes présente des applications remarquables dans le traitement de l'information quantique, la métrologie quantique et la détection quantique. Le contrôle quantique implique généralement trois caractéristiques importantes : une fidélité élevée, un temps court et/ou une faible énergie (optimal au final), ainsi qu'une robustesse face aux imprécisions expérimentales et au bruit. Plusieurs techniques, y compris celles basées sur le passage adiabatique, comme le passage adiabatique Raman stimulé (STIRAP), et plus récemment les raccourcis adiabatique ainsi que le contrôle optimal robuste, comme l'ingénierie inverse robuste et le principe du maximum de Pontryagin, ont été principalement étudiées dans des plateformes quantiques linéaires. Elles incluent les ions piégés, les qubits supraconducteurs et les condensats de Bose-Einstein (BEC) d'atomes froids de faible densité piégés dans un réseau optique accéléré.Cette thèse se concentre principalement sur l'extension de ces techniques de contrôle lorsque le système quantique devient non linéaire, comme c'est typiquement le cas pour des BEC de haute densité. Les non-linéarités apparaissent à différents ordres, généralement du second ordre décrivant des résonances 1:2 jusqu'au troisième ordre avec des termes de type-Kerr. Des outils spécifiques d'analyse pour le contrôle de la dynamique non linéaire émanant des systèmes quantiques non linéaires sont développés, tels que l'espace des phases réduit (généralisant la sphère de Bloch), le développement en fonctions propres non linéaires, le passage adiabatique non linéaire, l'état sombre non linéaire (nonlinear dark state) et les oscillations de Rabi non linéaires. Ces outils permettent de traiter des effets sans équivalent dans les technologies quantiques linéaires conventionnelles, comme les bifurcations.
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.
On étudie le contrôle de systèmes quantiques en dimension finie soumis à des champs laser externes. Après avoir examiné l'exemple concret de l'alignement d'une molécule diatomique en milieu dissipatif, on s'intéresse au problème spécifique du contrôle optimal, où l'objectif est d'amener le système d'un état initial à un certain état final tout en minimisant une fonctionnelle de coût. Le principe du maximum de Pontryagin (PMP) fournit les conditions nécessaires d'optimalité, en établissant que toute trajectoire optimale est la solution extrémale d'un problème étendu de structure Hamiltonienne. Dans ce contexte, on procède à l'analyse de deux systèmes particuliers. Le premier est un système dissipatif à 2 niveaux, dont on souhaite déterminer l'ensemble des trajectoires en temps minimum; le second est un système conservatif à 3 niveaux non complètement contrôlable, où une mesure projective permet d'assister le processus de contrôle.
Dans cette thèse, nous étudions trois classes de modèles utilisés dans la littérature pour représenter les systèmes quantiques: 1 -L'équation de Schrödinger où le contrôle agit sur le système de façon bilinéaire; 2 -L'équation de Lindblad; 3 -Les filtres quantiques (modèles stochastiques). Les contributions de la thèse concernant l'équation de Schrödinger se répartissent en trois parties. Dans le premier chapitre, nous étudions la contrôlabilité d'un tel système. Le cas de dimension finie étant déjà bien exploré, nous traitons l'exemple d'un oscillateur harmonique quantique comme un cas typique des problèmes de dimension infinie. Parmi les résultats obtenus nous retrouvons transposée dans les termes de la théorie du contrôle, l'assertion bien connue des physiciens: ``les sources classiques de contrôle ne peuvent générer que de la lumière classique''. La question de la génération des trajectoires est abordée dans le Chapitre 2. Le contrôle en boucle ouverte du système est alors traité à l'aide des méthodes de stabilisation de Lyapounov. Ces méthodes de contrôle par feedback sont utilisées en simulation et le contrôle retrouvé est ensuite inséré en boucle ouverte dans le système physique. La convergence est étudiée dans différentes configurations et des exemples numériques tirés de la chimie quantique sont testés. Enfin dans le chapitre 3, nous étudions le problème inverse d'identification de l'Hamiltonien. Malgré le grand intérêt pratique que présente ce problème, peu de contributions ont été apportées jusqu'à maintenant. Nous étudions d'abord le problème mathématique d'identifiabilité. Une première réponse positive à cette question est apportée. Ensuite nous considérons le problème d'identification. A l'aide de méthodes numériques d'optimisation, nous proposons une première approche qui permet de résoudre ce problème inverse. Au sujet de l'équation de Lindblad, la contribution de cette thése se résume à la réduction du modèle lorsque certaines hypothèses sur les durées de vie atomiques sont vérifiées. Cette étude peut être considérée comme une première étape vers le contrôle en boucle fermée d'un ensemble statistique de systèmes quantiques. Finalement dans le chapitre 5, nous considérons les filtres quantiques. Certaines méthodes issues de la théorie des probabilités ainsi que les techniques de Lyapounov stochastiques nous permettent d'étudier la stabilisation globale de ces modéles.