Algorithmes hybrides quantiques-classiques pour le problème à N corps quantique

Quantum-classical hybrid algorithms for quantum many-body physics

• Auteur / Autrice : Pauline Besserve
• Direction : Michel Ferrero
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 06/10/2023
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Physique Théorique (Palaiseau ; 1958-....) - Centre de Physique Théorique [Palaiseau]
• Jury : Président / Présidente : Laurent Sanchez-Palencia
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Ferrero, Serge Florens, Ivan Rungger, Thomas Ayral, Sophia Economou
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Serge Florens, Ivan Rungger

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux

Informatique quantique

Problème à N corps

Mots clés libres

Problème à N corps quantique

Ordinateur quantique

Modèles d'impureté

Matériaux corrélés

Quantum many-Body physics

Quantum computing

Impurity models

Correlated materials

Résumé

Cette thèse étudie l'apport du calcul quantique bruité pour l’algorithme phare des fortes corrélations, la théorie du champ moyen dynamique (DMFT). Elle vise à mettre à profit les premiers dispositifs de calcul quantique, malgré leurs imperfections liées à un degré de contrôle expérimental encore limité. Dans un premier temps, une version améliorée de la méthode variationnelle de préparation de l'état fondamental du modèle d'impureté est proposée. Elle consiste en la réalisation de mises à jour de la base à une particule dans laquelle est décrit le Hamiltonien d'impureté. Ces mises à jour sont entrelacées avec des optimisations variationnelles de l'état, et guidées par la matrice densité à une particule de l'état variationnel optimisé courant. Cet algorithme nous a permis de réaliser la première implémentation hybride bruitée d'un schéma assimilé à la DMFT avec un système auxiliaire à deux impuretés. Aussi, nous montrons sur plusieurs exemples que cette méthode est capable d'augmenter la capacité d'un circuit variationnel donné à représenter l'état cible. Enfin, nous proposons de combiner les mises à jour de la base à une particule avec un algorithme variationnel dit adaptatif, qui construit le circuit itérativement. Nous montrons que cette approche permet de réduire, à précision donnée sur l'énergie de l'état optimisé, le nombre de portes du circuit. Dans un second temps, nous proposons de mettre à profit la dissipation qui affecte les qubits afin de diminuer les effets de la troncation du bain sur l'ajustement de l'hybridation du bain à celle de la DMFT. Nous montrons qu'une réduction en termes de sites de bain est bien à la portée d'une telle méthode. Cependant, nous faisons l'hypothèse d'un processus dissipatif qui n'est pas réaliste : la méthode doit donc encore être étudiée via un modèle plus proche des conditions expérimentales.

This thesis investigates the possibility to leverage noisy quantum computation within the flagship algorithm for strong correlations, the dynamical mean-field theory (DMFT). It aims to take advantage of the first quantum computing devices, despite their imperfections imputable to a still-limited degree of experimental control.Firstly, an improved version of the variational method for preparing the ground state of the impurity model is proposed. It consists in carrying out updates of the single-particle basis in which the impurity Hamiltonian is described. These updates are interwoven with variational optimizations of the state, and guided by the one-particle density matrix of the current optimized variational state. This algorithm has enabled us to carry out the first noisy hybrid implementation of a DMFT-like scheme with a two-impurity auxiliary system. Also, we show on several examples that this method is capable of increasing the ability of a given variational circuit to represent the target state. Finally, we propose to combine single-particle basis updates with an adaptive variational algorithm, which builds the circuit iteratively. We show that this approach can reduce the number of gates in the circuit for a given precision in the energy of the attained state.Secondly, we propose to take advantage of the dissipation affecting the qubits to alleviate the effect of bath truncation onto the fit of the DMFT hybridization. We confirm that a reduction in the count of bath sites is within the reach of such a method. However, we make the assumption of a dissipative process which is not realistic: the method therefore still needs to be studied via a model closer to experimental conditions.