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.
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.
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.
Les boîtes quantiques semiconductrices se sont imposées comme une plateforme prometteuse pour le calcul quantique, car elles sont capables de générer des photons uniques à la demande avec un taux d'émission élevé et une haute indiscernabilité. De plus, en confinant un spin unique, elles permettent d'obtenir une interface spin-photon qui combine les avantages des qubits photoniques et des qubits de matière. Cette interface peut être utilisée pour générer de façon déterministe des états intriqués appelés états de cluster, qui sont des ressources cruciales pour le calcul quantique basé sur la mesure.Générer de façon efficace ces états intriqués spin-photon constitués de beaucoup de particules avec une haute fidélité est un défi majeur qui requiert un important degré de contrôle sur le spin. Dans cette thèse de doctorat, nous abordons ces défis et démontrons la génération de grands états de cluster comprenant jusqu'à neuf photons. En outre, nous introduisons des techniques optiques de rotation de spin pour générer des états appelés caterpillar. Ces techniques nous permettent également d'implémenter un découplage dynamique pour réduire les effets de décohérence liés à l'interaction hyperfine entre le spin résident et les spins nucléaires environnants.Enfin, nous introduisons une architecture hybride appelée SPOQC (calcul quantique spin optique) qui exploite les propriétés photoniques pour interconnecter des qubits de spin stationnaires et permettre le calcul quantique tolérant aux fautes. De plus, nous démontrons une première preuve de principe de l'implémentation d'une porte à deux qubits qui est critique pour cette architecture.
Photonique quantique sur puce AlGaAs : des études fondamentales aux applications dans les protocoles d'information quantique Le domaine des technologies quantiques, qui vise à manipuler des systèmes quantiques individuels tels que les atomes et les photons, a connu des avancées significatives ces dernières années, ouvrant de nouvelles perspectives dans les domaines du calcul, de la simulation, de la communication et de la métrologie. La photonique quantique intégrée se présente comme une approche prometteuse pour la miniaturisation et la mise à l'échelle de ces technologies, permettant la génération, la manipulation et la détection d'états quantiques de la lumière directement sur puce. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur la plateforme AlGaAs, qui combine plusieurs avantages pour le développement de dispositifs photoniques quantiques intégrés (bande interdite directe, fortes non-linéarités de deuxième et troisième ordre, effet électrooptique), et qui est un choix attractif pour la génération de paires de photons intriqués à température ambiante et à des longueurs d'onde télécom. le travail présenté dans ce manuscrit s'articule autour de trois parties principales. La première, consacrée l'intégration de plusieurs fonctionnalités sur une puce monolithique en AlGaAs, a permis la génération de paires de photons à large spectre et leur séparation en polarisation directement sur puce. Dans la deuxième partie, nous abordons deux questions fondamentales : celle de la limite de précision des mesures de temps basées sur l'interférence Hong-Ou-Mandel dans des conditions non idéales et celle de la nonlocalité quantique dans les réseaux triangulaires. Dans le premier cas, nous proposons un modèle et le validons expérimentalement, en démontrant la dépendance de la précision avec la visibilité de l'interférogramme pour différents types d'états de sonde ; grâce au grand niveau d'indiscernabilité des photons générés par la source AlGaAs, nous atteignons un rapport de 0,97 par comparaison à la limite quantique, établissant ainsi une nouvelle référence dans le domaine. Dans le second cas, nous démontrons pour la première fois l'existence de non-localité dans un réseau triangulaire sans supposer une indépendance complète des sources en simulant le réseau avec divers canaux en fréquence de l'état émis par notre source et en exploitant son niveau élevé d'intrication en polarisation sur une large bande spectrale. Une nouvelle inégalité de type Bell est dérivée en prenant en compte des imperfections potentielles dans les états quantiques, offrant ainsi un cadre plus réaliste pour les tests expérimentaux. Enfin, dans la troisième partie de cette thèse, nous utilisons nos sources AlGaAs dans un réseau de communication quantique déployé dans la région parisienne. Le lien fibre optique reliant les deux campus de l'Université Paris Cité et de Sorbonne Université est caractérisé expérimentalement dans les régimes classique et quantique. Les résultats fournissent une base solide pour la mise en œuvre future de protocoles cryptographiques sur un réseau urbain à fibres optiques et soulignent le potentiel de la plateforme AlGaAs pour l'implémentation de protocoles d'information quantique dans des conditions réelles.
La correction d'erreurs quantiques et les protocoles tolérants aux fautes ont été développés pour protéger l'information quantique d'inévitables erreurs affectant les bits quantiques, les qubits. Ces aspects de l'informatique quantique sont toutefois très coûteux en termes de ressources physiques ce qui représente un grand défi pour la réalisation expérimentale. Plusieurs études ont montré que les qubits présentant un modèle d'erreurs ayant une certaine structure dite asymétrique permettent l'optimisation de la correction d'erreurs et de protocoles tolérants aux fautes. Cette optimisation mène à l'amélioration de la performance de la correction d'erreurs et une diminution des ressources nécessaires aux algorithmes tolérants aux fautes. Dans ce mémoire, nous étudions le qubit de chats composé d'états chats stabilisés dans un résonateur supraconducteur micro-ondes dans l'architecture de l'électrodynamique quantique en circuit. Nous montrons que le modèle d'erreurs du qubit de chats, donné par la perte de photons, possède la propriété d'asymétrie. La performance de la correction d'erreurs est évaluée avec ce modèle d'erreurs et nous montrons qu'il est avantageux en principe d'utiliser le qubit de chats. Finalement, nous développons une opération quantique importante avec le qubit de chats. Cette opération permet l'intrication entre deux qubits et elle possède la propriété cruciale de préserver le bruit asymétrique, un aspect souvent impossible pour cette opération avec un qubit typique. L'utilisation de cette opération procure des avantages majeurs aux protocoles tolérants aux fautes permettant une protection efficace contre le bruit asymétrique.
Briques de base pour le calcul quantique spin-photon avec des boîtes quantiques semiconductrices Les boîtes quantiques semiconductrices se sont imposées comme une plateforme prometteuse pour le calcul quantique, car elles sont capables de générer des photons uniques à la demande avec un taux d'émission élevé et une haute indiscernabilité. De plus, en confinant un spin unique, elles permettent d'obtenir une interface spin-photon qui combine les avantages des qubits photoniques et des qubits de matière. Cette interface peut être utilisée pour générer de façon déterministe des états intriqués appelés états de cluster, qui sont des ressources cruciales pour le calcul quantique basé sur la mesure.Générer de façon efficace ces états intriqués spin-photon constitués de beaucoup de particules avec une haute fidélité est un défi majeur qui requiert un important degré de contrôle sur le spin. Dans cette thèse de doctorat, nous abordons ces défis et démontrons la génération de grands états de cluster comprenant jusqu'à neuf photons. En outre, nous introduisons des techniques optiques de rotation de spin pour générer des états appelés caterpillar. Ces techniques nous permettent également d'implémenter un découplage dynamique pour réduire les effets de décohérence liés à l'interaction hyperfine entre le spin résident et les spins nucléaires environnants.Enfin, nous introduisons une architecture hybride appelée SPOQC (calcul quantique spin optique) qui exploite les propriétés photoniques pour interconnecter des qubits de spin stationnaires et permettre le calcul quantique tolérant aux fautes. De plus, nous démontrons une première preuve de principe de l'implémentation d'une porte à deux qubits qui est critique pour cette architecture.
L'informatique quantique est basée sur des phénomènes de physique quantique, tels que superposition et intrication et elle promet de révolutionner le monde de l'informatique. La photonique est une plateforme de premier plan pour réaliser l'informatique quantique tolérante aux erreurs. Elle possède plusieurs qualités : fonctionnement à température ambiante, fabricabilité à grande échelle à l'aide des fonderies existantes pour les puces de silicium et compatibilité avec les communications optique pour interconnecter différents ordinateurs quantiques.Notre objectif principal est d'automatiser la conception de circuits quantiques photoniques et de leurs interconnexions. Avant de pouvoir fabriquer un véritable ordinateur quantique photonique, il est essentiel de simuler numériquement et d'optimiser les circuits correspondants, qui sont en pratique construits à partir de composants gaussiens tels que des squeezers, des séparateurs de faisceaux, des déphaseurs et des détections homodynes. Pour atteindre l'universalité, nous avons également besoin d'effets non gaussiens, qui peuvent être fournis par des détecteurs résolvant le nombre de photons. Nous concevons des circuits à partir de cette boîte à outils et les optimisons pour diverses applications en utilisant divers algorithmes de descente de gradient, dont certains que nous avons adaptés à notre objectif.Les principaux apports sont :1. En photonique, les représentations de l'espace de Fock et de l'espace de phase sont des formalismes utiles pour décrire les états et les transformations quantiques. Nous introduisons une représentation unifiée dans l'espace de Fock de tous les objets gaussiens en termes d'une seule relation de récurrence linéaire qui peut générer de manière récursive leurs amplitudes dans l'espace de Fock.2. On retrouve la règle de composition des opérations gaussiennes dans l'espace de Fock, qui permet d'obtenir la bonne phase globale lors de la composition des opérations gaussiennes (normalement absente), et donc d'étendre notre modèle à des états qui s'écrivent comme combinaisons linéaires de gaussiennes.3. Notre représentation récursive est différentiable, permettant à calculer des gradients. Nous adaptons ensuite l'optimisation basée sur les gradients au problème d'optimisation des circuits. Nous implémentons un optimiseur Euclidien afin d'optimiser chaque composant. Ensuite, nous étudions deux manières de prendre en compte la géométrie: d'abord, nous appliquons l'optimisation Riemannienne, en combinant toutes les opérations gaussiennes en une transformation globale pour trouver ensuite la transformation optimisée, et la décomposer en composants optiques fondamentaux. Deuxièmement, nous généralisons une version complexe du gradient naturel pour les circuits afin d'accélérer le processus d'apprentissage.4. Nous donnons également quelques stratégies optimales basées sur les tâches pour utiliser nos relations de récurrence. De nouveaux algorithmes sont proposés pour calculer, par exemple, les amplitudes d'un état mixte et la matrice de transformation des interféromètres. De plus, nous dérivons un algorithme de contraction rapide pour les transformations gaussiennes, qui nous permet de "fusionner" le calcul des amplitudes d'une transformation gaussienne et son action sur n'importe quel état.5. Avec la simulation sur des circuits quantiques photoniques différentiables construits à partir de la relation de récurrence, nous pouvons concevoir automatiquement des circuits quantiques photoniques. Nous donnons la préparation de l'état comme premier exemple ; nous trouvons des circuits capables de produire des états de haute fidélité dans un temps raisonnable. Nous pouvons aussi optimiser un interféromètre à 216 modes pour rendre une expérience d'échantillonnage de boson gaussien difficile à usurper.6. Nous avons rendu ce travail accessible dans diverses bibliothèques open source: TheWalrus, StrawberryFields, Poenta et MrMustard.