Modèles efficaces de systèmes quantiques ouverts bipartites Cette thèse développe des méthodes de réduction de modèles pour la dynamique des systèmes quantiques ouverts, conduisant à des modèles efficaces pour les systèmes bipartites, avec une application directe à la QED en circuit et une portée plus large au-delà de cette plateforme. Nous considérons tout d'abord des dynamiques dissipatives caractérisées par une séparation d'échelles de temps, qui se traduit par un écart spectral (gap) sur l'axe réel du spectre du Liouvillien générateur. Cela permet de calculer l'évolution réduite d'un sous-système cible en éliminant adiabatiquement les degrés de liberté à décroissance rapide. Une représentation intégrale sous forme d'équation de Sylvester fournit des expressions fermées pour les générateurs réduits ainsi que des applications de reconstruction explicites à tout ordre, sans étape préalable de moyennisation dans l'image d'interaction, ce qui donne une description linéaire en variété centrale séparant les modes de longue durée de vie des modes à décroissance rapide au moyen des parties réelles du spectre. La dynamique réduite se déroule sur la variété centrale, c'est-à-dire le sous-espace spectral associé aux valeurs propres dont les parties réelles sont petites (modes de longue durée de vie), sans imposer de restriction sur les parties imaginaires, ce qui autorise une dynamique unitaire rapide sur le sous-système cible. Nous démontrons en outre l'équivalence d'une telle approche géométrique de l'élimination adiabatique avec le formalisme des équations maîtresses sans mémoire (time-convolutionless), en montrant que les applications définissant le modèle réduit satisfont la même équation d'invariance dans les deux cadres. La formulation sans mémoire de l'élimination adiabatique s'étend à des cas où le système cible subit une dynamique unitaire rapide et conserve une dépendance temporelle explicite dans le modèle réduit, ce qui permet de capturer les transitoires initiaux qui sont négligés dans les réductions géométriques indépendantes du temps. Dans un deuxième temps, nous appliquons une transformation unitaire en chaîne des Hamiltoniens microscopiques système-environnement vers une forme à interactions de voisinage immédiat, permettant une évolution temporelle efficace au moyen d'algorithmes de réseaux de tenseurs basés sur le principe variationnel dépendant du temps. La précision de la représentation en réseau de tenseurs, et donc la taille du modèle réduit, est contrôlée par la croissance de l'entropie d'intrication, que nous quantifions numériquement. Bien que les méthodes soient générales et s'appliquent au-delà de la plateforme spécifique considérée, nous nous concentrons sur la mesure dispersive en QED en circuit (un qubit couplé dipolairement à une cavité excitée et dissipative). Nous quantifions la dépendance du temps de relaxation T₁ du qubit au nombre moyen de photons intracavité n̄ (et donc à l'amplitude du drive) ainsi qu'à la structure spectrale de l'environnement, et calculons le spectre d'émission directement à partir d'observables de l'environnement. Des simulations incluant un filtre de Purcell à encoche prédisent une diminution de T₁ lorsque la puissance du drive augmente, un comportement qualitativement différent des prédictions de type GKSL dans l'approximation de Born-Markov-séculaire, mais cohérent avec les tendances expérimentales, ce qui indique qu'un modèle incluant explicitement le filtre est nécessaire dans ce cas. Pris ensemble, ces résultats précisent dans quels régimes les modèles liouvilliens réduits sous l'hypothèse d'un gap dissipatif sont fiables et dans quels cas des simulations microscopiques non perturbatives sont nécessaires.
Modèles efficaces de systèmes quantiques ouverts bipartites Cette thèse développe des méthodes de réduction de modèles pour la dynamique des systèmes quantiques ouverts, conduisant à des modèles efficaces pour les systèmes bipartites, avec une application directe à la QED en circuit et une portée plus large au-delà de cette plateforme. Nous considérons tout d'abord des dynamiques dissipatives caractérisées par une séparation d'échelles de temps, qui se traduit par un écart spectral (gap) sur l'axe réel du spectre du Liouvillien générateur. Cela permet de calculer l'évolution réduite d'un sous-système cible en éliminant adiabatiquement les degrés de liberté à décroissance rapide. Une représentation intégrale sous forme d'équation de Sylvester fournit des expressions fermées pour les générateurs réduits ainsi que des applications de reconstruction explicites à tout ordre, sans étape préalable de moyennisation dans l'image d'interaction, ce qui donne une description linéaire en variété centrale séparant les modes de longue durée de vie des modes à décroissance rapide au moyen des parties réelles du spectre. La dynamique réduite se déroule sur la variété centrale, c'est-à-dire le sous-espace spectral associé aux valeurs propres dont les parties réelles sont petites (modes de longue durée de vie), sans imposer de restriction sur les parties imaginaires, ce qui autorise une dynamique unitaire rapide sur le sous-système cible. Nous démontrons en outre l'équivalence d'une telle approche géométrique de l'élimination adiabatique avec le formalisme des équations maîtresses sans mémoire (time-convolutionless), en montrant que les applications définissant le modèle réduit satisfont la même équation d'invariance dans les deux cadres. La formulation sans mémoire de l'élimination adiabatique s'étend à des cas où le système cible subit une dynamique unitaire rapide et conserve une dépendance temporelle explicite dans le modèle réduit, ce qui permet de capturer les transitoires initiaux qui sont négligés dans les réductions géométriques indépendantes du temps. Dans un deuxième temps, nous appliquons une transformation unitaire en chaîne des Hamiltoniens microscopiques système-environnement vers une forme à interactions de voisinage immédiat, permettant une évolution temporelle efficace au moyen d'algorithmes de réseaux de tenseurs basés sur le principe variationnel dépendant du temps. La précision de la représentation en réseau de tenseurs, et donc la taille du modèle réduit, est contrôlée par la croissance de l'entropie d'intrication, que nous quantifions numériquement. Bien que les méthodes soient générales et s'appliquent au-delà de la plateforme spécifique considérée, nous nous concentrons sur la mesure dispersive en QED en circuit (un qubit couplé dipolairement à une cavité excitée et dissipative). Nous quantifions la dépendance du temps de relaxation T₁ du qubit au nombre moyen de photons intracavité n̄ (et donc à l'amplitude du drive) ainsi qu'à la structure spectrale de l'environnement, et calculons le spectre d'émission directement à partir d'observables de l'environnement. Des simulations incluant un filtre de Purcell à encoche prédisent une diminution de T₁ lorsque la puissance du drive augmente, un comportement qualitativement différent des prédictions de type GKSL dans l'approximation de Born-Markov-séculaire, mais cohérent avec les tendances expérimentales, ce qui indique qu'un modèle incluant explicitement le filtre est nécessaire dans ce cas. Pris ensemble, ces résultats précisent dans quels régimes les modèles liouvilliens réduits sous l'hypothèse d'un gap dissipatif sont fiables et dans quels cas des simulations microscopiques non perturbatives sont nécessaires.
Dynamique hors-équilibre des systèmes quantiques ouverts et fermés Cette thèse est consacrée à l'étude de la dynamique de hors-équilibre dans les systèmes quantiques fermés et ouverts. La question de l'obtention d'équations dynamiques numériquement efficaces pour simuler de tels systèmes, qui souffrent d'une malédiction de dimensionnalité lorsqu'ils sont de grande taille est au centre de la thèse, ainsi que les divers nouveaux résultats physiques qui peuvent être obtenus grâce à ces équations efficaces. La question de l'obtention de représentations efficaces des états quantiques est également centrale, à travers la construction d'Ansatz. En particulier, nous présentons la méthode du sous-espace dynamique, une nouvelle méthode numérique pour la simulation de l'évolution temporelle de systèmes quantiques ouverts avec une entropie modérée. En représentant la matrice densité par un sous-espace constitué de M états purs, la complexité de l'intégration de l'équation maîtresse de Lindblad est considérablement réduite, et l'algorithme obtenu est entièrement déterministe. Nous appliquons ensuite cette méthode pour modéliser des algorithmes quantiques bruités, en simulant un algorithme quantique bruité de transformation de Fourier qui est au centre de l'algorithme de Shor pour la factorisation de nombre premiers. Nous trouvons une loi d'échelle pour l'erreur en fonction du taux de dissipation, et le comportement de l'infidélité par rapport au circuit idéal est modélisé en fonction des états initiaux qui sont fournis en entrée à l'algorithme. Ensuite, l'application des méthodes d'apprentissage automatique à la mécanique quantique est présentée, à travers la classe d'Ansatz des états quantiques neuronaux (NQS). La construction générale des NQS est introduite, ainsi que sa relation avec d'autres Ansatz tels que les réseaux tensoriels. Ensuite, le problème de la simulation de la dynamique des systèmes fermés avec NQS est étudié, ainsi que les problèmes courants liés à la géométrie de l'espace des paramètres qui peuvent survenir. Un schéma alternatif est introduit et appliqué aux quenches dépendantes du temps dans les systèmes critiques, où le mécanisme de Kibble-Zurek peut être étudié. Enfin, différentes constructions d'Ansatz pour les systèmes ouverts sont présentées, notamment la combinaison de la méthode du sous-espace dynamique avec un Ansatz neuronal. Enfin, nous étudions théoriquement la propagation de l'intrication dans les systèmes photoniques dissipatifs à forte interaction, motivés par la réalisation expérimentale récente de telles plateformes. Nos résultats montrent qu'en dépit du caractère dissipatif du système étudié, la propagation de l'intrication est ballistique avec une vitesse en accord avec l'image de quasiparticules impliquées dans la dynamique, des doublons et des holons photoniques. Notre analyse révèle que la dissipation est fortement asymétrique dans les deux cas étudiés de l'injection d'un doublon ou de son extraction, avec une influence plus forte dans le cas de l'extraction.
De nombreux phénomènes de physique quantique ne peuvent être compris que par l'analyse des systèmes ouverts. Un appareil de mesure, par exemple, est un système macroscopique en contact avec un système quantique. Ainsi, tout modèle d'expérience doit prendre en compte les dynamiques propres aux systèmes ouverts. Ces dynamiques peuvent être complexes : l'interaction du système avec son environnement peut modifier ses propriétés, l'interaction peu créer des effets de mémoire dans l'évolution du système, . . . Ces dynamiques sont particulièrement importantes dans l'étude des expériences d'optique quantique. Nous sommes aujourd'hui capables de manipuler individuellement des particules. Pour cela la compréhension et le contrôle de l'influence de l'environnement est crucial. Dans cette thèse nous étudions d'un point de vue théorique quelques procédures communément utilisées en optique quantique. Avant la présentation de nos résultats, nous introduisons et motivons l'utilisation de la description markovienne des systèmes quantiques ouverts. Nous présentons a la fois les équations maîtresses et le calcul stochastique quantique. Nous introduisons ensuite la notion de trajectoire quantique pour la description des mesures indirectes continues. C'est dans ce contexte que l'on présente les résultats obtenus au cours de cette thèse. Dans un premier temps, nous étudions la convergence des mesures non destructives. Nous montrons qu'elles reproduisent la réduction du paquet d'onde du système mesuré. Nous montrons que cette convergence est exponentielle avec un taux fixe. Nous bornons le temps moyen de convergence. Dans ce cadre, en utilisant les techniques de changement de mesure par martingale, nous obtenons la limite continue des trajectoires quantiques discrètes. Dans un second temps, nous étudions l'influence de l'enregistrement des résultats de mesure sur la préparation d'état par ingénierie de réservoir. Nous montrons que l'enregistrement des résultats de mesure n'a pas d'influence sur la convergence proprement dite. Cependant, nous trouvons que l'enregistrement des résultats de mesure modifie le comportement du système avant la convergence. Nous retrouvons une convergence exponentielle avec un taux équivalent au taux sans enregistrement. Mais nous trouvons aussi un nouveau taux de convergence correspondant a une stabilité asymptotique. Ce dernier taux est interprété comme une mesure non destructive ajoutée. Ainsi l'état du système ne converge qu'après un temps aléatoire. A partir de ce temps la convergence peut être bien plus rapide. Nous obtenons aussi une borne sur le temps moyen de convergence.
Systèmes quantiques ouverts et processus stochastiques quantiques De nombreux phénomènes de physique quantique ne peuvent être compris que par l'analyse des systèmes ouverts. Un appareil de mesure, par exemple, est un système macroscopique en contact avec un système quantique. Ainsi, tout modèle d'expérience doit prendre en compte les dynamiques propres aux systèmes ouverts. Ces dynamiques peuvent être complexes : l'interaction du système avec son environnement peut modifier ses propriétés, l'interaction peu créer des effets de mémoire dans l'évolution du système, . . . Ces dynamiques sont particulièrement importantes dans l'étude des expériences d'optique quantique. Nous sommes aujourd'hui capables de manipuler individuellement des particules. Pour cela la compréhension et le contrôle de l'influence de l'environnement est crucial. Dans cette thèse nous étudions d'un point de vue théorique quelques procédures communément utilisées en optique quantique. Avant la présentation de nos résultats, nous introduisons et motivons l'utilisation de la description markovienne des systèmes quantiques ouverts. Nous présentons a la fois les équations maîtresses et le calcul stochastique quantique. Nous introduisons ensuite la notion de trajectoire quantique pour la description des mesures indirectes continues. C'est dans ce contexte que l'on présente les résultats obtenus au cours de cette thèse. Dans un premier temps, nous étudions la convergence des mesures non destructives. Nous montrons qu'elles reproduisent la réduction du paquet d'onde du système mesuré. Nous montrons que cette convergence est exponentielle avec un taux fixe. Nous bornons le temps moyen de convergence. Dans ce cadre, en utilisant les techniques de changement de mesure par martingale, nous obtenons la limite continue des trajectoires quantiques discrètes. Dans un second temps, nous étudions l'influence de l'enregistrement des résultats de mesure sur la préparation d'état par ingénierie de réservoir. Nous montrons que l'enregistrement des résultats de mesure n'a pas d'influence sur la convergence proprement dite. Cependant, nous trouvons que l'enregistrement des résultats de mesure modifie le comportement du système avant la convergence. Nous retrouvons une convergence exponentielle avec un taux équivalent au taux sans enregistrement. Mais nous trouvons aussi un nouveau taux de convergence correspondant a une stabilité asymptotique. Ce dernier taux est interprété comme une mesure non destructive ajoutée. Ainsi l'état du système ne converge qu'après un temps aléatoire. A partir de ce temps la convergence peut être bien plus rapide. Nous obtenons aussi une borne sur le temps moyen de convergence.
Elimination adiabatique pour systèmes quantiques ouverts Cette thèse traite du problème de la réduction de modèle pour les systèmes quantiquesouverts possédant différentes échelles de temps, également connu sous le nom d’éliminationadiabatique. L’objectif est d’obtenir une méthode générale d’élimination adiabatiqueassurant la structure quantique du modèle réduit.On considère un système quantique ouvert, décrit par une équation maîtresse deLindblad possédant deux échelles de temps, la dynamique rapide faisant converger lesystème vers un état d’équilibre. Les systèmes associés à un état d’équilibre unique ouune variété d’états d’équilibre ("decoherence-free space") sont considérés. La dynamiquelente est traitée comme une perturbation. En utilisant la séparation des échelles de temps,on développe une nouvelle technique d’élimination adiabatique pour obtenir, à n’importequel ordre, le modèle réduit décrivant les variables lentes. Cette méthode, basée sur undéveloppement asymptotique et la théorie géométrique des perturbations singulières, assureune bonne interprétation physique du modèle réduit au second ordre en exprimant ladynamique réduite sous une forme de Lindblad et la paramétrisation définissant la variétélente dans une forme de Kraus (préservant la trace et complètement positif). On obtientainsi des formules explicites, pour calculer le modèle réduit jusqu’au second ordre, dans lecas des systèmes composites faiblement couplés, de façon Hamiltonienne ou en cascade;des premiers résultats au troisième ordre sont présentés. Pour les systèmes possédant unevariété d’états d’équilibre, des formules explicites pour calculer le modèle réduit jusqu’ausecond ordre sont également obtenues.
Bruit et capacité d'apprentissage en apprentissage automatique quantique Cette thèse est consacrée à l'exploration de l'interface entre l'informatique quantique et l'apprentissage automatique, en mettant l'accent sur les effets du bruit et de la décohérence. Dans la première partie, nous étudions l'utilisation de systèmes quantiques ouverts pour la réalisation de tâches classiques de reconnaissance des formes. En particulier, nous nous intéressons à l'impact du bruit sur les machines à noyau quantique dans une configuration de calcul à réservoir. Les modèles que nous considérons sont basés sur l'utilisation d'un système quantique de grande taille et non contrôlé, un réservoir, qui est excité par un signal d'entrée à traiter. Des mesures sont ensuite effectuées sur le système et une combinaison linéaire des résultats est optimisée afin de réaliser la tâche souhaitée. Dans le cadre théorique associé aux méthodes à noyau, nous analysons l'effet de la dissipation sur l'expressivité de ces modèles. Nous montrons que le bruit affectant le réservoir peut agir comme une régularisation implicite qui aide à prévenir l'ajustement excessif. Ces résultats sont accompagnés d'une étude numérique d'un ensemble de machines à noyaux bruitées basées sur des chaînes de spins quantiques sujets à de la décohérence, et dont l'évolution markovienne est décrite par une équation maîtresse de type Lindblad. Dans la deuxième partie de la thèse, nous nous concentrons sur les algorithmes quantiques variationnels. Nous y présentons un schéma de simulation classique efficace pour estimer des quantités moyennées à la sortie d'un circuit quantique paramétré dont les paramètres de rotation sont choisis aléatoirement. Nous étudions d'abord les canaux quantiques associés aux moyennes de rotations aléatoires d'un et de deux qubits autour d'un axe Z. Sous certaines hypothèses, nous montrons que ces canaux peuvent être décomposés en sommes convexes de canaux associés à des transformations unitaires de Clifford. Ce résultat peut être interprété comme un effet de décohérence artificiel induit par le choix aléatoire des angles de rotation. Il nous permet construire un schéma de simulation efficace basé sur le célèbre théorème de Gottesman-Knill. Cette méthode permet notamment d'estimer efficacement l'amplitude moyenne du gradient de la fonction de coût par des simulations classiques avec une complexité polynomiale en le nombre de qubits. Elle peut donc être utilisée pour explorer des stratégies de conception de circuits variationnels quantiques permettant d'éviter les difficultés d'entrainement due à une disparition du gradient.
Complexité dynamique et réduction de modèle de systèmes quantiques forcés Vu la fragilité de l’information quantique, elle nécessite une intervention active afin de supprimer les erreurs logiques des ordinateurs quantiques. Ceci a suscité le développement d’approches au niveau du hardware et contrôle, pour complémenter ou même faciliter les méthodes de correction d’erreurs quantiques. L’analyse de la dynamique des systèmes quantiques contrôlés ou forcés se montre difficile pourtant, et caractériser leur points de fonctionnements s’avère souvent impossible sans l’aide des modèles réduits de la dynamique suffisamment raffinés. Cette thèse s’intéresse à deux approches de protection d’erreurs complémentaires, agissant uniquement au niveau du hardware. La première approche a pour objectif le confinement d’un espace code composé d’états chats de Schrödinger d’un oscillateur quantique non linéaire, en le forçant de manière périodique. On définit le confinement des états chats à l’aide de la théorie de Floquet, et on caractérise les différents points de fonctionnement, ainsi que le comportement chaotique qui se présente, en fonction des paramètres du circuit et le forçage, de manière exhaustive. Par la suite on montre comment choisir les paramètres du circuit pour enlever le comportement chaotique dans son intégralité. L’oscillateur quantique considéré étant omniprésent dans le domaine des circuits supraconducteur, ces résultats devraient éliminer des limitations pertinentes des méthodes paramétriques de ce domaine le plus avancé des technologies quantiques. La deuxième partie de cette thèse traite une approche nouvelle de protection d’erreurs des appareils quantiques concrets, en les considérant comme systèmes quantiques ouverts de manière explicite. On considère un système cible, couplé à un sous-système de son environnement bien défini, qui à la fois représente le mécanisme de relaxation principal pour la cible. On applique la méthodologie du “dynamical decoupling” de la manière suivante: forcer le sous-système de l’environnement afin de découpler la cible de celui-ci. Nous analysons cette nouvelle stratégie, du modèle à la figure de mérite, sur l’exemple omniprésent d’un système à deux niveaux. Comme contribution en terme de modèles réduits, une extension de la méthode d’élimination adiabatique à des systèmes périodiques et des sous-espaces d’états plus généraux est présentée. Ceci permet de combiner des approximations différentes par séparation d’échelle de temps (moyennisation, convergence rapide) sans devoir les hiérarchiser.