Dispositifs quantiques bruités: simulations à N-corps de systèmesouverts, benchmark et certification

Noisy quantum devices: many-body simulations of open systems, benchmark and certification

• Auteur / Autrice : Edison Carrera unaucho
• Direction : Grégoire Misguich
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 21/09/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de PHysique Théorique
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay

Mots clés

Mots clés libres

Bruit quantique

Simulations à N corps

Étalonnage et certification

Quantum Noise

Many-Body Simulations

Benchmarking and Certification

Résumé

Les avancées dans le domaine de la physique quantique et des technologies quantiques ont conduit à des progrès constants dans la capacité à préparer, manipuler et mesurer des systèmes quantiques (presque) isolés avec une grande précision. Les dispositifs disponibles aujourd'hui (basés sur des atomes, des ions, des spins ou des circuits supraconducteurs) appartiennent à ce que l'on appelle le ''quantique de l'échelle intermédiaire bruité'' (NISQ), où un certain traitement quantique de l'information commence à être possible, mais reste généralement limité par le nombre de qubits et/ou par diverses sources de bruit et d'erreurs. Parmi les questions importantes qui se posent dans ce domaine, on peut citer, par exemple : comment caractériser quantitativement les sources de décohérence ? Comment émuler efficacement un système à de nombreux qubits sur un ordinateur classique, en tenant compte de la décohérence ? Comment quantifier/certifier le degré d'entanglement quantique présent dans ces dispositifs ? Comment les dispositifs actuels se comparent-ils aux algorithmes classiques et peuvent-ils résoudre des problèmes spécifiques utiles qui sont difficiles sur un ordinateur classique ? Ce projet de thèse vise à développer des outils théoriques et numériques pour aborder ces questions. Cela inclut en particulier l'utilisation de la compression d'états à plusieurs corps avec des réseaux de tenseurs et les simulations numériques de qubits interactifs soumis à la décohérence (équation maîtresse de Lindblad). Le projet peut également inclure la réalisation d'expériences sur des dispositifs quantiques accessibles via le cloud, et les architectures basées sur des portes ainsi que les simulateurs quantiques analogiques pourraient être envisagés. Ce travail sera mené en collaboration avec le groupe de théorie de l'information quantique à l'IPhT.

The developments in the field of quantum physics and quantum technologies have led to some steady progress in the capacity to prepare, manipulate, and measure (almost) isolated quantum systems with great precision. Devices that are available today (based on atoms, ions, spins, or superconducting circuits) belong to the so-called ''Noisy Intermediate Scale quantum'' (NISQ) where some quantum treatment of the information starts to be possible but is in general still limited by the number of qubits and/or various sources of noise and errors. Among the important questions that arise in the field, we can, for instance, mention: How to characterize quantitatively the sources of decoherence? How to emulate a many-qubit system efficiently on a classical computer, including the decoherence? How to quantify/certify the degree of quantum entanglement present in these devices? How do the present devices compare with classical algorithms and can they solve useful specific problems that are difficult on a classical computer? This thesis project aims at developing theoretical and numerical tools to tackle these questions. This includes, in particular, the use of many-body state compression with tensor networks and the numerical simulations of interacting qubits subject to decoherence (Lindblad master equation). The project may also include performing experiments on quantum devices accessible via the cloud, and both gate-based architectures and analog quantum simulators could be considered. This work will be carried out in collaboration with the quantum information theory group at IPhT.