Pile logicielle complète pour contrôler les ordinateurs quantiques et simulateurs d'atomes de Rydberg ultra-froids

Full-stack control system for ultracold Rydberg atom quantum computers and simulators

• Auteur / Autrice : Manuel Morgado
• Direction : Shannon Whitlock
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 25/06/2024
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des Sciences chimiques (Strasbourg ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de science et d’ingénierie supramoléculaires (Strasbourg)
• Jury : Président / Présidente : Guido Pupillo
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Aida Todri-Sanial, Gerhard Birkl

Mots clés

Mots clés contrôlés

Micro-ondes

Simulation quantique

Rydberg, États de

Atomes froids

Mots clés libres

Atomes ultra-froids

Atomes de Rydberg

Informatique et simulation quantiques

Microondes

Atomes individuels

Système logiciel quantique

Unités de traitement quantique (UTQ)

Ultra-cold atoms

Rydberg atoms

Quantum computing and simulation

Microwave

Single-atom

Quantum software system

Quantum processor units (QPU)

Résumé

Dans cette étude, je relève le défi de contrôler les ordinateurs quantiques et les simulateurs basés sur les architectures d'atomes de Rydberg ultra-froids. Deux conceptions matérielles sont explorées: les atomes individuels et les petites ensembles atomiques, utilisant le Potassium-39(39K). Je détaille de nouveaux protocoles de portes quantiques, y compris celui pour l'interaction dipolaire de Rydberg. Des méthodes expérimentales pour préparer des états quantiques et réaliser une manipulation globale cohérente sont présentées, avec des configurations avancées utilisant le pompage optique et les champs micro-ondes spatiaux modulés.De plus, je présente la Boîte à Outils de Traitement de l'Information Quantique Atomique (AQiPT),une architecture logicielle basée sur Python. AQiPT abstrait le matériel, les logiciels et les systèmes quantiques, permettant une programmation complète et un accès transparent à la surveillance, à la gestion des données et aux simulations liées. Ces contributions posent les bases pour une plateforme d'atomes de Rydberg ultra-froids à pile complète, aider à jeter les bases une nouvelle ère pour l'informatique quantique et la simulation numérique.

In this work, I address the challenge of controlling quantum computers and simulators based onultra-cold Rydberg atom architectures. Two hardware designs are explored: single atoms and smallatomic ensembles, utilizing Potassium-39 (39K). I detail quantum gate protocols, including a newone for dipolar Rydberg interaction. Experimental methods for preparing quantum states andachieving coherent global manipulation are introduced, featuring advanced setups with opticalpumping and modulated free-space microwave fields.Additionally, I present the Atomic Quantum Information Processing Toolbox (AQiPT), a Pythonbased software architecture. AQiPT abstracts quantum hardware, software, and systems, enablingcomprehensive programming and seamless access to monitoring, data management, and linkedsimulations. These contributions lay the groundwork for a full-stack ultracold Rydberg atomsplatform, helping lay the foundation for a new era for quantum computing and digital quantumsimulation.