Ingénierie de l'espace de Hilbert et contrôle optimal pour l'informatique quantique avec applications aux aimants moléculaires à base de terres rares
Langue Anglais
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Auteur : Hartmann, Jean-Gabriel
Date de soutenance : 15-11-2024

Directeur(s) de thèse : Hervieux, Paul-Antoine - Ruben, Mario

Président : Genet, Cyriaque
Rapporteur(s) : Sugny, Dominique - Hunger, David
Membre(s) du jury : Privat, Yannick - Bonneau, Ludovic - Milman, Pérola

Établissement de soutenance : Strasbourg
Laboratoire : Institut de physique et chimie des matériaux (Strasbourg)
École doctorale : École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg ; 1994-....)
 
Discipline : Physique
Classification : Physique

Mots-clés libres : Calcul quantique, Terres rares, Qudits, SMM, Anomalie hyperfine, Théorie du contrôle optimal quantique, Infidélité moyenne des portes logiques
Mots-clés :
  • Terres rares - Isotopes
  • Spin
  • Interactions hyperfines
  • Formes nucléaires - Simulation, Méthodes de
Résumé : L'objectif de cette thèse est d'étudier et de développer les capacités de calcul quantique (QC) des états qudit de haute dimension dans les spins nucléaires d’ions de terres rares (RE) intégrés dans des aimants à molécule unique (SMM). Notre travail est structuré en trois parties principales, chacune abordant des aspects critiques de ce développement : Premièrement, du point de vue de la physique nucléaire et atomique, nous avons utilisé les codes numériques HTDA-Skyrme-HFBCS pour simuler de grands noyaux complexes d’éléments de terres rares tels que le terbium (Tb), le dysprosium (Dy) et le holmium (Ho). Nous calculons les moments dipolaires magnétiques et quadripolaires électriques de ces noyaux de lanthanides à partir de simulations de la charge des nucléons et des distributions de densité de courant pour des isotopes choisis. L'utilisation de ces distributions réalistes nous permet d'étudier l'interaction hyperfine dans des configurations atomiques hydrogénoïdes électroniques et muoniques libres, ainsi que les contributions dues à la pénétration des fonctions d'onde leptoniques dans le noyau. Plus précisément, nous menons une étude détaillée sur 161Dy et 163Dy pour examiner l'anomalie hyperfine entre ces isotopes par le calcul des corrections de Bohr-Weisskopf (BW) et de Breit-Rosenthal (BR) dues aux effets de taille finie. Nous constatons que, pour les configurations muoniques, ces effets sont suffisamment importants pour être mesurés physiquement, proposant ainsi un moyen de validation expérimentale. Deuxièmement, nous effectuons une analyse fondamentale des interactions des systèmes qudit généraux avec un environnement markovien, suivant le formalisme de Lindblad. Nous étudions l'infidélité moyenne des portes (AGI) en tant que mesure de l'interaction d'un système avec son environnement, indépendante de la plateforme. Une première étude se concentre sur les effets de premier ordre dans la limite d'un bruit faible, avec une analyse comparative des systèmes multiqubit et qudit. Nous dérivons une relation pour la figure de mérite entre les temps de porte et de décohérence, en comparant les plateformes QC actuelles basées sur les qudits et les qubits. Nous étendons ensuite ce travail au régime de couplage fort pour les systèmes qudit bruyants par le biais d'une expansion perturbative formelle de l'AGI. Ce cadre complet fournit une méthode constructive pour calculer les termes de correction à n'importe quel ordre. Grâce à lui, nous fixons des limites universelles à l'AGI dans la limite d'un fort déphasage et nous montrons comment les termes d'ordre supérieur introduisent du bruit et des effets dépendant de la porte. Ces résultats permettent d'optimiser les opérations de portes logiques quditiques et d'améliorer les protocoles de correction d'erreur. Enfin, nous étudions les techniques de contrôle optimal pour la mise en oeuvre de portes quantiques quditiques universelles. Nous utilisons des méthodes de génération d'impulsions, notamment la décomposition de la rotation de Givens (GRD) et un algorithme de gradient ascendant (GRAPE), dans le cadre du développement d'un cadre numérique extensible, permettant d'étudier plus profondément les approches avancées de machine learning. En développant un flux de travail numérique robuste, nous étudions leur efficacité dans l'optimisation des performances des portes quantiques dans des conditions de bruit réalistes. Grâce à cette étude comparative détaillée, nous établissons des points de référence et des limites pour la performance des systèmes quantiques bruyants de dimension arbitraire, offrant ainsi des perspectives précieuses pour le développement futur de l'informatique quantique de haute dimension.
 
Type de contenu : Text
Format : PDF
 
Entrepôt d'origine : STAR : dépôt national des thèses électroniques françaises
Identifiant : 2024STRAE041
Type de ressource : Thèse