Interactions hyperfines dans les complexes organiques de lanthanide pour le traitement de l’information quantique

Hyperfine interactions in lanthanide-organic complexes for quantum information processing

• Auteur / Autrice : Denis Jankovic
• Direction : Paul-Antoine Hervieux, Mario Ruben
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 18/11/2024
• Etablissement(s) : Strasbourg en cotutelle avec Karlsruher Institut für Technologie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg ; 1994-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de physique et chimie des matériaux (Strasbourg)
• Jury : Président / Présidente : Vincent Robert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philip Willke, Adriana Pálffy-Buß
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fernando Luis Vitalla, Anja Metelmann
• DOI : 10.70675/2b9248f6z5878z4cfez87e7z58c87b2fe7eb

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métaux des terres rares -- Composés organiques

Informatique quantique

Interactions hyperfines

Mots clés libres

Informatique quantique

Qudit

AGI

Contrôle optimal

Lanthanides

Interaction hyperfine

Théorie du Champ de Ligand

TbPc2

Quantum Computing

Qudit

AGI

Optimal control

Lanthanides

Hyperfine interaction

Ligand field theory

TbPc2

Résumé

Cette thèse intègre l’informatique quantique, la théorie du contrôle optimal, la structure nucléaire, les interactions hyperfines, les éléments-f, la théorie du champ cristallin et le magnétisme moléculaire, en se concentrant sur les complexes organiques de lanthanides, en particulier TbPc2, en tant que processeurs quantiques moléculaires potentiels. La recherche commence par un aperçu théorique, mettant en évidence la convergence de ces domaines et le rôle de la chimie des lanthanides. Les propriétés clés des lanthanides sont analysées, y compris leurs états atomiques et ioniques, les interactions du champ des ligands et les réponses aux champs externes. Les discussions détaillées couvrent les électrons non interactifs, la répulsion coulombienne, le couplage spin-orbite et le couplage hyperfin, ainsi que la transition de la théorie du champ cristallin à la théorie du champ de ligands et les capacités de la DFT du champ de ligands. L’interaction hyperfine est examinée à travers l’équation de Dirac, intégrant la relativité dans l’´équation de Schrödinger. Les sujets incluent les corrections de masse, les atomes muoniques et les constantes hyperfines. L’informatique quantique avec des spins nucléaires dans les lanthanides est explorée, en introduisant les qubits, qudits, portes quantiques, algorithmes et échelles de temps pertinentes. La génération optimale de portes est étudiée, visant à développer des portes qudits efficaces, avec TbPc2 comme exemple pratique. La suite de Prouhet-Thue-Morse est analysée pour ses propriétés et applications en informatique quantique. La thèse se termine par des orientations de recherche future, y compris des études de décohérence, les effets de la composition des ligands, les calculs des constantes hyperfines et l’optimisation des portes qudits.

This thesis integrates quantum computing, optimal control theory, nuclear structure, hyperfine interactions, f-elements, crystal field theory, and molecular magnetism, focusing on lanthanide-organic complexes, particularly TbPc2, as potential molecular quantum processors. The research begins with a theoretical overview, highlighting the convergence of these fields and the role of lanthanide chemistry. Key properties of lanthanides are analyzed, including their atomic and ionic states, ligand field interactions, and responses to external fields. Detailed discussions cover non-interacting electrons, Coulomb repulsion, spin-orbit coupling, and hyperfine coupling, as well as the transition from crystal field theory to ligand field theory and the capabilities of ligand field DFT. The hyperfine interaction is examined through the Dirac equation, incorporating relativity into the Schrödinger equation. Topics include mass corrections, muonic atoms, and hyperfine constants. Quantum computing with nuclear spins in lanthanides is explored, introducing qubits, qudits, quantum gates, algorithms, and relevant timescales. Optimal gate generation is investigated, aiming to develop efficient qudit gates, with TbPc2 as a practical example. The Prouhet-Thue-Morse sequence is analyzed for its properties and applications in quantum computing. The thesis concludes with future research directions, including decoherence studies, effects of ligand composition, hyperfine constant calculations, and qudit gate optimization.