Entanglement generation and quantum gates with quantum emitters in a cavity Cette thèse présente de nouveaux protocoles pour les portes quantiques multi-qubits non locales et la génération d’intrication dans des systèmes où plusieurs émetteurs quantiques interagissent avec un mode bosonique partagé. Elle introduit les portes de phase géométrique et adiabatique, avec des expressions analytiques de l’infidélité dépendant du nombre de qubits et de la coopérativité. Pour deux qubits, elles forment un ensemble universel, tandis que dans les systèmes multi-qubits, elles permettent des portes déterministes pour la simulation quantique et la correction d’erreurs. Une contribution majeure est un protocole de détection optimisé par l’intrication, atteignant une haute précision de mesure grâce au contrôle optimal. La thèse explore aussi un mécanisme de blocage polaritonique en cavité pour la génération d’états W non locaux et de portes multi-qubits. Ces opérations déterministes, basées sur des excitations classiques de cavité et parfois des impulsions globales, offrent une base évolutive pour l’informatique quantique, la détection quantique et l'internet quantique de demain, en particulier pour les systèmes à atomes neutres.
Entanglement generation and quantum gates with quantum emitters in a cavity Cette thèse présente de nouveaux protocoles pour les portes quantiques multi-qubits non locales et la génération d’intrication dans des systèmes où plusieurs émetteurs quantiques interagissent avec un mode bosonique partagé. Elle introduit les portes de phase géométrique et adiabatique, avec des expressions analytiques de l’infidélité dépendant du nombre de qubits et de la coopérativité. Pour deux qubits, elles forment un ensemble universel, tandis que dans les systèmes multi-qubits, elles permettent des portes déterministes pour la simulation quantique et la correction d’erreurs. Une contribution majeure est un protocole de détection optimisé par l’intrication, atteignant une haute précision de mesure grâce au contrôle optimal. La thèse explore aussi un mécanisme de blocage polaritonique en cavité pour la génération d’états W non locaux et de portes multi-qubits. Ces opérations déterministes, basées sur des excitations classiques de cavité et parfois des impulsions globales, offrent une base évolutive pour l’informatique quantique, la détection quantique et l'internet quantique de demain, en particulier pour les systèmes à atomes neutres.
Portes quantiques optimisées pour les ordinateurs quantiques à atomes neutres Les atomes neutres sont récemment apparus comme une plate-forme compétitive pour l'informatique quantique. Le développement de portes quantiques intriquées de haute délité est la clé du succès de cette plateforme. Dans cette thèse, nous développons plusieurs protocoles nouveaux et optimisés pour l'implémentation de portes quantiques à deux et plusieurs qubits sur des atomes neutres. Nous introduisons la famille des protocoles temps-optimaux, qui implémentent une porte quantique donnée aussi rapidement que possible en appliquant une impulsion laser unique avec une phase dépendant du temps. Nous explorons également les protocoles de portes qui sont particulièrement robustes face à certaines sources d'erreurs expérimentales, et les portes qui sont optimisées pour leur utilisation dans un code de correction d'erreur quantique. En n, nous proposons deux nouveaux protocoles pour implémenter des portes multi-qubits non-locales sur des atomes neutres couplés à un mode de cavité commun qui peut être implémenté simplement par un pilotage classique de la cavité. Les résultats de cette thèse permettent d'obtenir des portes quantiques plus simples, de meilleure qualité et plus robustes sur des atomes neutres, et constituent une étape vers la réalisation de la vision d'un ordinateur 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.
Les boîtes quantiques semiconductrices intégrées dans des cavités photoniques sont des émetteurs prometteurs de photons uniques pour les technologies quantiques photoniques. En outre, une boîte quantique peut confiner un porteur de charge unique (électron ou trou) dont le spin peut être utilisé comme mémoire locale, ce qui ouvre la voie à des applications intéressantes. En 2009, il a été proposé d'utiliser ces boîtes quantiques chargées pour émettre de grands états intriqués comprenant le spin confiné et de nombreux photons. Ces états dits de "cluster" présentent un intérêt particulier pour l'informatique quantique photonique et basée sur la mesure. Le défi de la génération de ces états quantiques réside dans la combinaison de la production efficace de photons avec le contrôle du spin confiné : si les deux aspects ont été démontrés séparément, leur combinaison ne l'a pas encore été jusqu'à présent. Dans cette thèse, nous utilisons des boîtes quantiques semi-conductrices pour générer expérimentalement des états intriqués de spin et de photons. Pour ce faire, nous nous appuyons sur une technique d'excitation hors résonance, assistée par phonon, pour générer des photons uniques de manière efficace, tout en préservant l'accès au spin par le biais de la polarisation des photons émis. Nous explorons la physique des spins uniques dans la boîte quantique, en caractérisant en particulier leurs propriétés de cohérence. Nous utilisons ensuite une boîte quantique chargée couplée à une cavité pour générer des états intriqués tripartites comprenant le spin et deux photons indiscernables, démontrant ainsi pour la première fois la mise en œuvre du protocole de 2009 avec une boîte quantique dans une cavité tridimensionnelle. Enfin, nous explorons également l'utilisation d'une boîte quantique neutre pour générer des états quantiques photoniques hyperencodés, où un photon unique est dans une superposition de plusieurs degrés de liberté.
Calcul quantique tolérant aux défaillances avec des émetteurs quantiques L'optique linéaire a été l'un des premiers candidats pour le calcul quantique. Elle présente plusieurs avantages majeurs : une grande robustesse face à la décohérence, une compatibilité naturelle avec les systèmes de communication quantique et un fonctionnement possible à température ambiante. Cependant, son développement a été freiné par des difficultés importantes, notamment une forte sensibilité aux pertes de photons et l'absence de portes d'intrication déterministes. L'émergence de systèmes à émetteurs quantiques, combinant un qubit de spin et la capacité d'émettre des photons intriqués, ouvre aujourd'hui une voie prometteuse. Ces systèmes offrent de nouvelles perspectives pour surmonter les limites historiques de l'optique linéaire, en particulier dans le cadre du calcul quantique tolérant aux fautes (FTQC). Dans cette thèse, j'étudie comment générer efficacement de l'intrication entre qubits photoniques en utilisant l'optique linéaire. J'explore de nouvelles architectures de calcul quantique tolérantes aux défaillances, qui associent les outils de l'optique linéaire à la génération d'intrication basée sur des émetteurs quantiques. L'objectif central est de concevoir un schéma de calcul à la fois robuste face aux pertes de photons et adapté aux contraintes physiques de la création d'intrication dans les plateformes photoniques. Je présente des résultats qui mettent en lumière certaines limitations fondamentales de la génération d'intrication en optique linéaire. En particulier, j'analyse les contraintes liées à la préparation d'états intriqués à deux photons, tant dans les régimes de génération post-sélectionnée que dans ceux à signalement (heralded). J'introduis également une nouvelle interprétation des interféromètres de mesure intriquante, tels que la mesure de Bell optique, qui conduit à la conception de nouvelles portes d'intrication à signalement pour les qubits photoniques. Enfin, j'étudie une architecture originale de calcul quantique tolérant aux fautes basée sur des émetteurs quantiques et j'en évalue les performances de tolérance aux erreurs dans différents modèles de bruit pertinents. Le calcul s'effectue sur les degrés de liberté de spin des émetteurs quantiques, tandis que les opérations d'intrication sont réalisées via des mesures intriquantes sur les photons émis. Cette architecture hybride vise à conserver les atouts des systèmes photoniques tout en atténuant leurs deux principales faiblesses : la perte de photons et l'intrication probabiliste. Elle se distingue par une utilisation efficace des ressources et ouvre de nouvelles perspectives pour la conception d'architectures FTQC, notamment grâce à une mise en œuvre efficace de circuits fondés sur les codes de Floquet.
Nous présentons une architecture générique en électrodynamique quantique en cavité (en anglais: QED), capable de cultiver différents types d'intrication quantique à plusieurs corps. Ce système, présentement accessible au niveau expérimental dans diverses architectures, nécessite seulement une interaction faible entre un ensemble de spins et une cavité soumise à un processus paramétrique à deux photons. Le premier protocole d'intrication que nous proposons, soit le protocole assisté par un état noir quantique (en anglais: DMAP), consiste à transférer la compression du champ intra-cavité vers l'ensemble de spins. L'état comprimé de spin résultant de ce procédé (avec un paramètre de Kitawaga sur l'ordre de 10-2) présente un enchevêtrement fort dans les différentes paires de spins, ce qui s'avère très utile dans le contexte de la métrologie quantique. Dans un temps de préparation relativement court (inversement proportionnel à la magnitude du couplage collectif), notre protocole permet d'atteindre pratiquement la limite quantique d'Heisenberg (avec un paramètre de Wineland près de 2/N), et ce même pour un faible échantillon de spins. Si la limite de compression générée par la torsion à un axe ou deux axes est contrainte par la taille de l'échantillon, notre protocole ne l'est pas en plus d'être plus rapide et de ne pas souffrir de la dynamique oscillatoire de la torsion à un axe. Nous allons aussi démontrer comment le DMAP se compare à une évolution adiabatique même si l'adiabaticité semble impraticable dans ce contexte. Dans des travaux précédents nous avons démontré qu'un processus paramétrique à deux photons peut être utilisé pour simuler un couplage très fort dans un system QED en cavity standard à interaction faible. Nous allons élargir cette technique au système présent pour simuler le modèle de Dicke, qui est reconnu pour ses propriétés quantiques intéressantes telles que la possibilité d'un enchevêtrement quantique important et des transitions de phases superradiantes. Les autres protocoles d'intrication que nous proposerons utilisent la simulation du modèle de Dicke, soit la réalisation de la porte de Molmer-Sorenson, intimement reliée à la torsion à un axe, et la culture de grands états de chat enchevêtrés. Plus spécifiquement nous proposerons un protocole d'intrication délocalisée, un ingrédient clé pour l'informatique quantique, où un état de Greenberger-Horne-Zeilinger sera préparé dans le système à interaction faible pour être ensuite transformé en un grand état de chat enchevêtré grâce au model simulé de Dicke. Finalement nous révèlerons notre système comme étant une plateforme intéressante pour étudier les transitions de phase superradiantes ainsi que leur dépendance sur le bruit quantique comprimé.
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.