Architecture d'un Supercalculateur Photonique Massivement Parallèle : Le Système P-CBAM-256 à Température Ambiante Version 2.0 — Architecture corrigée et validée par revue bibliographique indépendante Jean-Yves Lozac'h
Ce document présente la version corrigée de l'architecture P-CBAM-256, un supercalculateur photonique massivement parallèle composé de 256 matrices de calcul interconnectées, exploitant 16 777 216 cellules élémentaires à défauts de spin V⁻ʙ dans la nitrure de bore hexagonal (hBN). La version 1.0 de cette architecture proposait un fonctionnement à 77 K pour « prolonger le temps de cohérence de spin T2 » ; Cette hypothèse s'est révélée non soutenue par la littérature expérimentale, qui a établi que T2 du V⁻ʙ est gouverné par le bain de spins nucléaires environnants et reste quasiment indépendant de la température entre 50 K et 300 K. La présente version corrige cette erreur, supprime le poste de cryogénie associé, et révise le facteur de codage par cellule de B=2 à B=1 bit/cycle après vérification que la dégénérescence du canal de lecture optique du V⁻ʙ ne permet pas une discrimination simultanée des deux sous-niveaux de spin sombres. L'architecture corrigée, fonctionnant à température ambiante, délivre un débit global théorique de 3 355 Tb/s (≈ 419 To/s) pour un coût d'infrastructure augmentant à 27,7 M€, contre 67,1 Tb/s et 29,1 M€ dans la version non corrigée.
Ce document présente la version corrigée de l'architecture P-CBAM-256, un supercalculateur photonique massivement parallèle composé de 256 matrices de calcul interconnectées, exploitant 16 777 216 cellules élémentaires à défauts de spin V⁻ʙ dans la nitrure de bore hexagonal (hBN). La version 1.0 de cette architecture proposait un fonctionnement à 77 K pour « prolonger le temps de cohérence de spin T2 » ; Cette hypothèse s'est révélée non soutenue par la littérature expérimentale, qui a établi que T2 du V⁻ʙ est gouverné par le bain de spins nucléaires environnants et reste quasiment indépendant de la température entre 50 K et 300 K. La présente version corrige cette erreur, supprime le poste de cryogénie associé, et révise le facteur de codage par cellule de B=2 à B=1 bit/cycle après vérification que la dégénérescence du canal de lecture optique du V⁻ʙ ne permet pas une discrimination simultanée des deux sous-niveaux de spin sombres. L'architecture corrigée, fonctionnant à température ambiante, délivre un débit global théorique de 3 355 Tb/s (≈ 419 To/s) pour un coût d'infrastructure augmentant à 27,7 M€, contre 67,1 Tb/s et 29,1 M€ dans la version non corrigée.
Résumé Cette note constate et documente une divergence factuelle entre deux documents du portefeuille P-CBAM traitant du même paramètre (le débit de l'architecture photonique à défauts V⁻ʙ) : « La Quête de l'Ombre du Spin » (ci-après « la Quête »), qui établit dans son addendum §9 une architecture de référence corrigée à ≈ 3355 Tb/s après avoir invalidé une confusion T1/T2 dans un brouillon antérieur, et « P-CBAM-4K-LN2 v3.1 », document ultérieur qui annonce 2147 Pb/s en reproduisant la même confusion T1/T2 déjà invalidée, sur une échelle de cellules 256× supérieure et sans justification nouvelle. Un audit indépendant du budget de photons de lecture ODMR à la fréquence d'horloge revendiquée par v3.1 (500 MHz) confirme, par une voie de calcul distincte, que cette fréquence est physiquement intenable. Cette note invalide formellement v3.1 en l'état, réaffirme l'architecture de référence de la Quête (Jalon 9) comme meilleure estimation actuellement défendable, et fixe les conditions qu'une future révision (v2.2 ou v4) devra satisfaire pour être recevable.
La Quête de l'Ombre du Spin : Note technique négative sur le couplage Stark ζ du décodeur OAM quantique hybride hBN (P-CBAM v2.0)
Résumé / Description : Cette note technique documente, dans une démarche de science ouverte et de transparence méthodologique, l'audit critique des paramètres de couplage de l'architecture originale P-CBAM. L'objectif initial était de valider la constante de couplage Stark ζ (supposée théoriquement à 2–5 GHz/ℓ) permettant une lecture projective nanoseconde. L'investigation rigoureuse aboutit à une conclusion physique négative mais constructive : d'une part, l'analogie avec le centre NV du diamant borne la valeur réaliste de ζ entre 0,1 et 1 GHz/ℓ. D'autre part, les modélisations vectorielles de Richards-Wolf et les simulations FDTD cylindriques démontrent l'existence d'un zéro structurel exact du champ électrique longitudinal (Ez) sur l'axe optique d'un faisceau OAM, imposant un repositionnement hors-axe du défaut spin VB−. Plusieurs voies de contournement sont évaluées (inclinaison cristalline, hybridation, transfert quadrupolaire). La note chiffre et valide une voie de compromis fonctionnelle : l'accumulation de phase par répétition de symboles sur la marge du temps de cohérence T2 à température ambiante, associée à une parallélisation spatiale de N≈5 canaux pour restaurer le débit nominal. Ce document sert de justification théorique aux corrections majeures intégrées dans la v2.0 du supercalculateur P-CBAM-256.
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.
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.
Circuits électroniques à températures cryogéniques pour la lecture massive de qubits de spin Les qubits de spin sur semi-conducteurs constituent une plateforme prometteuse pour le calcul quantique à grande échelle, car ils bénéficient d’une taille réduite et de procédés de fabrication compatibles avec l’industrie des semi-conducteurs. Bien que les qubits de spin fonctionnent à des températures cryogéniques, les circuits électroniques assurant leur contrôle sont généralement placés à température ambiante. Plusieurs milliers de câbles doivent donc traverser le cryostat.Placer l’électronique de contrôle à l’intérieur du cryostat permettrait de limiter les connexions reliant l’étage à température ambiante avec les étages cryogéniques à un petit nombre de câbles portant des signaux basses fréquences. Cette thèse vise à développer des circuits intégrés à températures cryogéniques conçus pour réaliser la lecture par impédancemétrie de qubits de spin et adaptés à une lecture à grande échelle. L’impédancemétrie est une méthode de lecture similaire à la méthode éprouvée de la réflectométrie, mais dans laquelle l’impédance du résonateur connecté au qubit est mesurée directement, ce qui permet d’éviter une optimisation complexe de l’adaptation d’impédance du résonateur. En contrepartie, les circuits de lecture doivent être placés à proximité immédiate des résonateurs.Tout d’abord, nous présentons une étude théorique comparant les performances des lectures par impédancemétrie et par réflectométrie. L'impédancemétrie présente une sensibilité en phase améliorée, étant limitée uniquement par le facteur de qualité interne du résonateur. Cependant, placer le résonateur à une température plus élevée augmente son bruit thermique, limitant le rapport signal sur bruit (SNR). Nous réalisons des simulations montrant que l'impédancemétrie est compatible avec le multiplexage fréquentiel, permettant la lecture de plusieurs qubits par la même chaîne de lecture. Nous concevons ensuite un circuit sur la technologie Fully-Depleted Silicon-On-Insulator (FDSOI) 28nm pour démontrer le principe de lecture. Les tests sont effectués à 4.2K, bien que le circuit soit compatible avec une utilisation à 500mK. Pendant la caractérisation du circuit, un deuxième LNA discret en SiGe est utilisé. Ce LNA a également été conçu au cours de cette thèse pour être utilisé comme second étage d’amplification d’une lecture par impédancemétrie ou réflectométrie. À 4.2K, le circuit intégré consomme 590µW pour une bande passante de 500MHz. Une capacité numérique est utilisée pour émuler le comportement d’un qubit et évaluer la sensibilité de la chaîne de lecture. La sensibilité est de 35 aF.µV/√Hz à 4.2K, limitée par le bruit thermique du résonateur, avec une amélioration d’un facteur 3 prévue à 500mK.
Le travail aborde deux grandes problématiques d'actualité des systèmes quantiques. La première concerne les systèmes quantiques ouverts, typiquement un bit quantique (qubit) couplé à un bain. Dans cette partie on présente l'étude de la décohérence et la relaxation du qubit. La seconde partie concerne les systèmes quantiques isolés. Dans cette partie on présente l'étude de la thermalisation de deux systèmes quantiques macroscopiques après un quench Décohérence et relaxation d'un qubit. L'étude de la dynamique réduite d'un qubit couplé à un réservoir est intéressant pour deux points de vue complémentaires, l'un lié à l'informatique quantique et l'autre lié à la physique quantique de N corps. Pour construire des ordinateurs quantiques, il est nécessaire de comprendre l'effet de l'environnement sur la décohérence des qubits. D'autre part, d'un point de vue de la physique des systèmes quantiques, ou bien des systèmes quantiques hors équilibre, les qubits peuvent être utilisés pour mesurer et comprendre les propriétés thermodynamiques et dynamiques du bain. Dans ce second sens, tout à fait d'actualité, il existent nombreux travaux théoriques et expérimentales récentes. Des expériences récentes suggèrent utiliser des dispositifs semi-conducteurs tels que les Josephson jonctions ou des spins dans les boîtes quantiques pour l'informatique et la communication quantique. Ces appareils ont l'avantage de taille par rapport aux autres systèmes physiques qui ont également été proposées pour l'informatique quantique, comme des atomes en cavité, les ions piégés dans un champ magnétique ou des molécules en résonance magnétique nucléaire . L'unité de base de ces dispositifs est un système quantique à deux niveaux, connu dans la littérature comme un quantum bit ou qubit. L'utilisation de bits quantiques (qubits) dans n'importe quel contexte est limitée par interaction avec leur environnement (réservoir ou bain). En fait, l'interaction leur fait perdre leur caractère quantique, un processus appelé décohérence. Les premiers études qui ont modelé la perte de la cohérence sont ceux de Caldeira et Leggett dans les années quatre-vingt. Dans ces études le réservoir était composé des bosons indépendants. Le modèle proposé, appelé Spin-Boson, est pertinente lorsque l'on considère un bain des photons ou des phonons. Cependant, dans le cas des dispositifs semi-conducteurs mentionnés au paragraphe précédent, des expériences ont montré qu'il est nécessaire d'envisager des réservoirs plus complexes composés des spins et électrons en interaction. De plus, il est important de considérer les effets non markoviens (effets de mémoire sur la dynamique des qubits. Le traitement théorique de bains quantiques avec interactions est beaucoup plus difficile que le traitement pour le bain des bosons indépendants et nous devons recourir à des méthodes théoriques puissantes. Le chapitre introductif présente les techniques d'opérateurs de projection qui sert a dériver les équations maîtresses qui régissent l'évolution du qubit, dans la thèse on se concentre sur les approximations Nakajima Zwanzig (NZ) et Time convolutionless technique (TCL). Ces techniques sont élégantes et, bien que perturbatives, sont capables de décrire certains aspects non markoviens de la dynamique. Nous avons étudie dans une première partie, la décohérence et relaxation d'un qubit couplé a un bain électronique sans interaction décrivant un métal ou un semi-conducteur Les résultats reflètent la richesse car la dynamique réduite du qubit dépend de façon subtile de plusieurs paramètres: la densité d'états des électrons, le champ magnétique, etc. Dans le chapitre 3 nous avons considéré un qubit couplé à un bain possédant un ordre supraconducteur. Pour un couplage de type Kondo à température fini nous avons trouvé une décohérence et relaxation non markoviens et ultra rapides, pour un couplage direct au paramètre d'ordre nous avons trouvé une dynamique plus complexe qui dépend des conditions initiales. Pour certaines conditions initiales la dynamique est sensible aux fluctuations de spin et ressemble a la situation du couplage Kondo. Pour autres conditions initiales, la dynamique est sensible aux fluctuations de charge et relaxe de façon markovien. Ces résultats donnent des pistes pour réduire les effets de décohérence dans les dispositifs et motivent des nombreux questions. Ces travaux ont aboutit à la publication des articles suivantes: Effect of a gap on the decoherence of a qubit J. Restrepo, E. Dupont, S. Camalet, R. Chitra (submitted to Phys Rev B) Decoherence induced by an ordered environment J. Restrepo, S. Camalet, R. Chitra (in preparation) Thermalisation d'un système quantique isolé. L'étude de la dynamique hors équilibre après un quench est devenu particulièrement d'actualité depuis l'avènement des expériences d'atomes ultra-froids qui représentent des systèmes quantiques isolés idéaux Pour les systèmes quantiques, la plupart des questions fondamentales sur la thermalisations restent ouvertes. Il y a deux types de questions : Quel est l'état asymptotique après un quench ? Est-il un état d'équilibre ? Quels sont les mécanismes qui expliquent la thermalisation ? Jusqu'au présent, il existent soit des hypothèses générales avec aucune preuve rigoureuse soit des résultats particuliers. Les résultats sont obtenus analytiquement lorsque le système est intégrable et numériquement quand il ne l'est pas. Dans notre travail (chapitre 4), nous abordons la question de la stabilité de l'équilibre thermique dans les systèmes quantiques, nous modélisons les systèmes quantiques par des champs bosoniques libres. L intérêt de ce modèle est de pouvoir apporter des réponses claires à certaines des questions fondamentales sur la thermalisation. Il a deux ingrédients intéressantes. Tout d'abord, il considère un état initial qui n'est pas l'état fondamental. Deuxièmement, il considère un système composite où les deux parties sont de taille comparable, ce qui permet de voir comment l'état asymptotique est atteint dans l'espace. L'effet d'avoir des champs bosoniques libres conduit à un hamiltonien quadratique pour lequel on a calculé l'énergie et les fonctions de corrélation de façon exacte aux temps longs. Ainsi on a pu montré que dans le cas d'un contact thermique modifié soudainement, le système n'atteint pas un état stationnaire, et il ne se produit pas de relaxation. Ces résultats peuvent en fait être partiellement compris du fait de la nature particulière du spectre des excitations. Néanmoins, ils motivent des nombreuses questions. Ce travail a abouti à la publication de l'article suivante: Sudden Change of the thermal contact between two quantum systems New Journal of Physics 12 055011, 2010.