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Members
Date
April 23, 2024 10:00 AM
-
April 24, 2024 3:30 PM
Lieu de l'événement
Hôtel Château Bromont
10 h 55 – 11 h Mot d'ouverture (Salon A)
11 h – 12 h Antoine Browaeys, Université Paris-Saclay, France (Salon A)
Physique à N corps avec des réseaux d'atomes individuels et de dipôles optiques
12 h – 13 h 30 Dîner (Salle Knowlton)
13 h 30 – 14 h 15 Bertrand Reulet, Université de Sherbrooke (Salon A)
Détecter les fluctuations quantiques du vide à l'aide du bruit électronique non gaussien
14 h 15 – 15 h Peter Grütter, Université McGill (Salon A)
Bruit télégraphique aléatoire résolu spatialement
15 h – 15 h 30 Pause-café (Salon C)
15 h 30 – 16 h 30 Ana Asenjo Garcia, Université Columbia, États-Unis (Salon A)
Lois d'échelle universelles pour la désintégration corrélée des systèmes quantiques à N corps
16 h 30 – 16 h 50 Javier Martínez, Polytechnique Montréal (Salon A)
Validation d'implémentations de l'échantillonnage de bosons gaussiens à l'aide du score d'entropie croisée linéaire
16 h 50 – 17 h 10 Pierre-Gabriel Rozon, Université McGill (Salon A)
Profondeur de twirling optimale pour les ombres classiques en présence de bruit
17 h 10 Session d'affiches avec rafraîchissements (Salon C)
19 h 30 Souper INTRIQ (Salle Knowlton)
8 h 30 – 9 h 30 Pierre Rouchon, École des Mines, École normale supérieure, France (Salon A)
Correction d'erreurs quantiques et rétroaction
9 h 30 – 9 h 50 Karthik Chinni, Polytechnique Montréal (Salon A)
Au-delà de l'approximation paramétrique : déplétion de la pompe, intrication et compression dans la conversion paramétrique descendante macroscopique
9 h 50 – 10 h 30 Pause-café (Salon C)
10 h 30 – 10 h 50Arthur Perret, Université de Sherbrooke (Salon A)
Ingénierie de la stabilisation d'un état bosonique
10 h 50 – 11 h 10 Vincent Reiher, Université de Sherbrooke (Salon A)
Contrôle optimal entièrement électrique de la dynamique complète d'une double boîte quantique à un seul électron
11 h 10 – 11 h 55 Bill Coish, Université McGill (Salon A)
Utiliser les réseaux de neurones pour la dynamique quantique et la tomographie par ombres
12 h – 13 h 30 Dîner (Salle Knowlton)
13 h 30 – 14 h 30 Alicia Bette Magann, Sandia National Labs, États-Unis (Salon A)
Aborder les algorithmes quantiques sous l'angle du contrôle quantique
14 h 30 – 15 h Lev-Arcady Sellem, Université de Sherbrooke (Salon A)
Ingénierie de réservoir quantique pour la protection des qubits de Gottesman-Kitaev-Preskill
15 h – 15 h 30 Pause-café (Salon C)
15 h 30 – 15 h 50 Lee Carrier-Coupal, Université de Sherbrooke (Salon A)
Estimation des paramètres de systèmes quantiques par une méthode d'optimisation itérative fondée sur le gradient
15 h 50 – 16 h 20 Olivier Landon-Cardinal, École de technologie supérieure (Salon A)
La formation en information quantique à l'ÉTS
16 h 20 Mot de clôture (Salon A)
Boursière Truman
Sandia National Labs, États-Unis
Aborder les algorithmes quantiques sous l'angle du contrôle quantique
Les ordinateurs quantiques progressent à un rythme rapide. Ces progrès suscitent un intérêt considérable pour la recherche sur les algorithmes quantiques. Dans cette présentation, j'explorerai comment la recherche sur les algorithmes quantiques peut être influencée par des concepts issus de la dynamique et du contrôle quantiques. Je commencerai par donner une intuition reliant ces domaines, puis je passerai en revue des contextes où cette intuition a déjà été utilisée pour faire avancer de façon fructueuse la recherche sur les algorithmes quantiques. J'aborderai ensuite des travaux récents qui exploitent des liens avec différentes branches de la théorie du contrôle quantique et avec la dynamique de Zénon quantique. Je conclurai en proposant l'idée que le contrôle quantique offre une perspective à travers laquelle nous pouvons envisager, analyser et développer les algorithmes quantiques de demain.
Sandia National Labs est géré et exploité par NTESS en vertu du contrat DENA0003525 du DOE NNSA. SAND2024-03940A
Université Columbia, États-Unis
Lois d'échelle universelles pour la désintégration corrélée des systèmes quantiques à N corps
Un défi clé dans la mise à l'échelle des systèmes quantiques est le risque de désintégration corrélée, qui peut réduire considérablement la durée de vie des états d'intérêt. Cette présentation répond à la question suivante : quel est le taux de désintégration maximal d'un système quantique, et comment évolue-t-il avec la taille du système ? D'abord, nous reformulons le problème du taux de désintégration maximal en celui de la recherche de l'énergie de l'état fondamental d'un hamiltonien 2-local. Bien que l'on considère généralement que trouver l'état fondamental est difficile, il est possible de trouver efficacement des bornes supérieures et inférieures. En particulier, à l'aide d'idées issues de la théorie de l'approximation quantique et de relaxations par programmation semi-définie, nous fournissons des bornes analytiques pour le taux de désintégration maximal de systèmes quantiques à N corps génériques. Nos bornes sont universelles en ce sens qu'elles ne dépendent que de propriétés globales de la matrice de décohérence (qui décrit les couplages dissipatifs entre les atomes) et sont indépendantes des interactions microscopiques spécifiques. Pour de nombreuses classes de systèmes physiquement pertinents, les bornes sont serrées, ce qui donne des lois d'échelle en fonction de la taille du système. Pour des réseaux d'atomes dans l'espace libre, la loi d'échelle ne dépend que de la dimensionnalité et de la portée de l'interaction. Ces lois constituent des limites supérieures à la vitesse à laquelle tout état quantique peut se désintégrer, et offrent des pistes précieuses pour la recherche en optique quantique, en traitement de l'information quantique et en métrologie.
Institut d’Optique
Université Paris-Saclay, France
Physique à N corps avec des réseaux d'atomes individuels et de dipôles optiques
Cette présentation exposera les efforts visant à contrôler et à utiliser les interactions dipolaires entre atomes froids pour mettre en œuvre des hamiltoniens de spin utiles à la simulation quantique de situations de matière condensée ou d'optique quantique. Nous nous appuyons sur des ensembles atomiques refroidis par laser. En excitant des réseaux comptant jusqu'à 100 atomes dans des états de Rydberg, nous faisons interagir les atomes par l'interaction dipolaire résonante. Le système met en œuvre le modèle XY de spin ½, qui présente divers ordres magnétiques selon la nature ferromagnétique ou antiferromagnétique de l'interaction. Lorsque le système est placé hors équilibre, les interactions génèrent une compression de spin extensible. En analysant la propagation des corrélations à travers le système, nous mesurons la relation de dispersion et observons le comportement anomal prédit dans le cas ferromagnétique, conséquence des interactions dipolaires. À l'aide d'un ensemble atomique excité sur une transition optique, nous démontrons également la génération de lumière non classique dans une situation de superradiance.
École des Mines, École normale supérieure, France
Correction d'erreurs quantiques et rétroaction
La correction d'erreurs quantiques repose sur une boucle de rétroaction. Cette rétroaction correspond généralement à un contrôleur classique. À partir de signaux classiques obtenus par des mesures de syndrome d'erreur (entrée du contrôleur), le contrôleur produit des signaux classiques (sortie du contrôleur) afin de corriger les erreurs sur les systèmes physiques encodant des qubits logiques. La correction d'erreurs quantiques peut aussi exploiter la dissipation associée au phénomène de décohérence. Appelée correction autonome par les physiciens, elle utilise alors une rétroaction où le contrôleur est un système quantique auxiliaire dissipatif. Cette présentation porte sur le développement de tels contrôleurs quantiques pour stabiliser des qubits logiques encodés dans des oscillateurs harmoniques (code bosonique). Deux types d'encodage seront considérés : le qubit de chat, encodé dans deux états cohérents de phases opposées (Mirrahimi-...-Devoret, NJP 2014), pour lequel les erreurs de basculement de bit induites par les bruits usuels peuvent être presque supprimées expérimentalement (Reglade-...-Leghtas, Nature 2024) ; le qubit GKP, encodé dans des états de grille d'énergie finie approximant des peignes de Dirac en position/impulsion (Gotesman-Kitaev-Preskill, PRA 2002), pour lequel, en principe, les basculements de bit et de phase pourraient aussi être presque supprimés.
Doctorant, Université de Sherbrooke
Directeur : Yves Bérubé-LauzièreIngénierie de la stabilisation d'un état bosonique
Les codes bosoniques sont un outil prometteur pour la correction d'erreurs quantiques, en raison de leur utilisation efficace de l'espace de Hilbert. Notamment, les codes de chat, GKP et binomiaux ont atteint, voire dépassé, le seuil de rentabilité (break-even) ces dernières années. Les méthodes actuelles de préparation des états de codes bosoniques peuvent toutefois entraîner des erreurs importantes mais indétectables.
Dans ce travail, nous abordons la préparation d'états de codes bosoniques en proposant un circuit paramétré généré par le développement de Trotter d'une équation dynamique sous-jacente dont l'état cible est l'unique état stationnaire. Pour que l'état cible soit un point asymptotiquement stable, nous exigeons que le développement de Trotter soit constitué d'une évolution unitaire suivie d'une évolution non unitaire.
Nous montrons que, pour les états des bases computationnelle et duale des codes à symétrie de rotation, il existe une opération unitaire correspondante qui peut être trouvée analytiquement à l'aide d'une seule porte SNAP. Enfin, nous explorons deux méthodes différentes, fondées sur les travaux de [1,2], afin de générer l'évolution non unitaire souhaitée.
[1] A. Perret, Y. Bérubé-Lauzière, PRA 109 (2), 022609
[2] M. Kudra et al., arXiv:2212.12079
Professeur, Université de Sherbrooke
Détecter les fluctuations quantiques du vide à l'aide du bruit électronique non gaussien
La statistique du transport électronique dans une jonction tunnel est affectée par les fluctuations de sa tension de polarisation, qui module la probabilité que les électrons traversent la jonction. Nous exploitons ce phénomène pour réaliser une mesure directe des fluctuations quantiques du vide, dans le domaine des micro-ondes, d'une résistance placée à ultra-basse température : nous montrons que les fluctuations du vide amplifiées sont corrélées au bruit généré par la jonction et contribuent à un troisième moment des fluctuations de tension détectées. Cette expérience constitue une mesure absolue du bruit, non affectée par le bruit inévitable ajouté par le montage de détection.
Professeur, Université McGill
Utiliser les réseaux de neurones pour la dynamique quantique et la tomographie par ombres
J'aborderai deux cas où nous avons constaté que les réseaux de neurones constituent un outil pratique important. Le premier concerne l'étude de la décohérence et de la dynamique de systèmes quantiques bien décrits par l'« aimant de Gaudin » [1]. Ce modèle décrit précisément la dynamique de décohérence d'un qubit de spin électronique interagissant avec un environnement de spins nucléaires. Bien que le modèle possède de nombreuses symétries (il est intégrable), trouver des solutions analytiques pour la dynamique demeure néanmoins très difficile. Nous supposons que les réseaux de neurones pourraient bientôt exploiter ces symétries pour trouver des solutions numériques plus efficaces à ce problème et à d'autres problèmes de systèmes quantiques intégrables. J'aborderai également des travaux récents visant à améliorer la tomographie par ombres classiques d'états quantiques à l'aide d'un ansatz de réseau de neurones [2]. En contraignant les résultats obtenus par ombres classiques à une représentation physique de l'état quantique pur sous-jacent, certaines caractéristiques de l'état quantique peuvent être extraites plus efficacement que ne le permettrait la formulation standard (plus générale) de la tomographie par ombres classiques.
[1] V. Wei, A. Orfi, F. Fehse, and W. A. Coish "Finding the Dynamics of an Integrable Quantum Many-Body System via Machine Learning", Adv. Phys. Research 3, 2300078 (2023)
[2] Victor Wei, W.A. Coish, Pooya Ronagh, Christine A. Muschik "Neural-Shadow Quantum State Tomography", arXiv:2305.01078
Doctorant, Polytechnique Montréal
Directeur : Nicolas Quesada
Validation d'implémentations de l'échantillonnage de bosons gaussiens à l'aide du score d'entropie croisée linéaireL'échantillonnage de bosons gaussiens (GBS) est une architecture prometteuse pour démontrer expérimentalement l'avantage quantique. Sur le plan théorique, il existe des indices selon lesquels échantillonner la distribution de probabilité d'une expérience GBS sans pertes, de façon exacte ou approchée, est une tâche difficile sur le plan computationnel. Les implémentations réelles de GBS souffrent de pertes inévitables et d'autres sources de bruit, et leurs descriptions théoriques attendues, c'est-à-dire leurs modèles de vérité terrain, s'écartent de celle d'une implémentation idéale sans pertes. On suppose néanmoins que la vérité terrain est suffisamment proche du modèle idéal pour que l'échantillonnage de la distribution de probabilité correspondante demeure difficile sur le plan computationnel. C'est pourquoi les techniques actuelles de validation des expériences GBS reposent sur des mesures statistiques visant à montrer que les échantillons expérimentaux suivent réellement les modèles de vérité terrain. Ces stratégies ont des limites et ne permettent pas de vérifier facilement les affirmations d'avantage quantique. Elles servent plutôt à accroître la confiance dans le bon fonctionnement des expériences. Le principal inconvénient de cette approche de validation est que nous ne pouvons pas être certains que les distributions de vérité terrain sont difficiles à échantillonner sur le plan computationnel, ce qui ouvre la porte à des algorithmes classiques exploitant le bruit des modèles de vérité terrain pour simuler efficacement les expériences. Dans ce travail, nous soutenons qu'il est possible d'éviter ce problème en validant les implémentations de GBS directement à l'aide de leurs distributions idéales correspondantes. Nous expliquons comment utiliser une version modifiée de l'entropie croisée linéaire, une mesure que nous appelons le score LXE, pour trouver des valeurs de référence pouvant indiquer à quel point une implémentation GBS donnée est proche de son modèle idéal correspondant. De plus, nous calculons analytiquement le score qui serait obtenu par une implémentation GBS sans pertes.
Professeur, Université McGill
Bruit télégraphique aléatoire résolu spatialement
Le bruit basse fréquence dû aux fluctuations à deux niveaux nuit à la fiabilité et aux performances des dispositifs semiconducteurs nanométriques et complique la mise à l'échelle des capteurs et ordinateurs quantiques émergents fondés sur le spin.
Nous mesurons ici les fluctuations temporelles à deux états de défauts individuels à l'interface Si/SiO2, avec une résolution spatiale nanométrique, à l'aide de la microscopie à force atomique. Mesurés en tant qu'ensemble, les défauts observés présentent une tendance spectrale de puissance en 1/f aux basses fréquences. La méthode et les observations présentées permettent une compréhension plus détaillée des origines du bruit en 1/f dans les dispositifs classiques et quantiques à base de silicium, et pourraient servir à développer des techniques de fabrication visant à réduire les fluctuations à deux états associées aux défauts.
Stagiaire postdoctoral, Polytechnique Montréal
Directeur : Nicolas Quesada
Au-delà de l'approximation paramétrique : déplétion de la pompe, intrication et compression dans la conversion paramétrique descendante macroscopique
Nous étudions la dynamique du mode de pompe dans l'hamiltonien de conversion paramétrique descendante à l'aide de la méthode de développement en cumulants, de la théorie des perturbations et de la simulation numérique complète de systèmes dont le nombre moyen de photons de pompe atteint jusqu'à cent mille. Nous nous concentrons particulièrement sur les propriétés du mode de pompe, telles que la déplétion, l'intrication et la compression, pour un état initial pertinent sur le plan expérimental dans lequel le mode de pompe est initialisé dans un état cohérent. Grâce à cette analyse, nous obtenons le comportement aux temps courts de diverses grandeurs et dérivons les échelles de temps auxquelles apparaissent dans le système les caractéristiques mentionnées ci-dessus, qui ne peuvent être comprises au moyen de l'approximation paramétrique. Nous proposons également un témoin d'intrication faisant intervenir des moments d'opérateurs bosoniques, capable de détecter l'intrication du mode de pompe. Enfin, nous étudions la statistique du nombre de photons de la pompe et des modes signal et complémentaire afin de comprendre le comportement général de ces modes sur des échelles de temps pertinentes sur le plan expérimental.
Doctorant, Université de Sherbrooke
Directeur : Yves Bérubé-Lauzière
Estimation des paramètres de systèmes quantiques par une méthode d'optimisation itérative fondée sur le gradient
La caractérisation des systèmes quantiques est importante, car elle nous permet d'acquérir de l'information sur ces systèmes, comme leurs propriétés et leur comportement. La caractérisation des dispositifs quantiques est tout aussi importante, puisqu'ils sont sujets à des imperfections lors de leur fabrication; il est donc crucial de vérifier que ces dispositifs quantiques fonctionnent adéquatement. Sinon, ils ne pourront pas fonctionner à leur pleine capacité. Dans cette présentation, nous nous concentrerons sur un aspect précis de la caractérisation, à savoir l'estimation de paramètres. Les paramètres contenus dans l'équation de la dynamique qui détermine le comportement d'un dispositif quantique doivent être déterminés afin de modéliser correctement son fonctionnement. Nous montrerons qu'il est possible de déterminer la valeur optimale de ces paramètres, celle qui reflète le mieux les observations faites sur le système, à l'aide de méthodes d'optimisation itératives fondées sur le gradient.
Stagiaire postdoctoral, Université de Sherbrooke
Directeurs : Alexandre Blais et Baptiste Royer
Ingénierie de réservoir quantique pour la protection des qubits de Gottesman-Kitaev-Preskill
À première vue, les processus dissipatifs sont la source de la décohérence quantique et limitent l'échelle de temps sur laquelle un système donné peut être contrôlé. D'un autre côté, du point de vue du contrôle, la disponibilité de processus dissipatifs ouvre aussi de nouvelles avenues, notamment en ce qui concerne la stabilisation des systèmes quantiques. Cette stratégie, appelée ingénierie de réservoir quantique, remonte aux travaux fondateurs d'Alfred Kastler sur le pompage optique.
Nous présenterons comment exploiter l'ingénierie de réservoir quantique pour stabiliser et contrôler les qubits de Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP), un encodage bosonique qui exploite des états exotiques de la lumière ou de la matière pour réduire le coût matériel de la correction d'erreurs quantiques. Notre approche repose sur des interactions modulaires non linéaires avec un système auxiliaire dissipatif afin de stabiliser de façon autonome le code GKP. Cette approche supprime de manière robuste les processus de bruit locaux; contrairement aux propositions précédentes, elle supprime aussi la propagation du bruit provenant du système auxiliaire utilisé pour l'ingénierie de la dissipation elle-même. Dans un montage expérimental de pointe fondé sur des circuits supraconducteurs, nous estimons que la durée de vie du qubit encodé pourrait dépasser le seuil de rentabilité (break-even) de plusieurs ordres de grandeur.
Professeur, École de technologie supérieure - ÉTS
La formation en information quantique à l'ÉTS
Survol des développements de la formation en information quantique aux cycles supérieurs et au baccalauréat à l'ÉTS, de janvier 2021 à aujourd'hui.
Doctorant, Université McGill
Directrice : Tami Pereg-Barnea
Profondeur de twirling optimale pour les ombres classiques en présence de bruit*
Le protocole des ombres classiques constitue une stratégie efficace pour estimer les propriétés d'un état inconnu ρ à l'aide d'un nombre fini de copies et de mesures. Dans sa forme originale, il consiste à appliquer un twirling à l'état au moyen d'unitaires choisis aléatoirement dans un ensemble fixe, puis à mesurer l'état ainsi transformé dans une base prédéterminée. Pour calculer les propriétés locales du système, il a été démontré que la complexité d'échantillonnage optimale (le nombre minimal de copies requises) est remarquablement atteinte lorsque les unitaires sont tirés de circuits de faible profondeur composés de portes intriquantes locales, par opposition aux ensembles de twirling purement locaux (profondeur nulle) ou globaux (profondeur infinie).
Dans cette présentation, j'aborderai une amélioration de ces idées en considérant la complexité d'échantillonnage en fonction de la profondeur du circuit, en présence de bruit. Le bruit sera forcément présent dans toute implémentation expérimentale de tels circuits de faible profondeur, ce qui a des implications importantes pour la détermination de l'ensemble de twirling optimal. Dans des conditions assez générales, je vais : i) montrer que tout bruit sur un seul site peut être pris en compte à l'aide d'un canal de bruit dépolarisant avec un paramètre d'amortissement approprié, f; ii) discuter des seuils fth auxquels le twirling optimal se réduit au twirling local pour des opérateurs arbitraires; iii) mener une analyse semblable pour les entropies de Rényi d'ordre n (où n est supérieur ou égal à 2); et iv) fournir une borne supérieure significative, tmax, sur la profondeur de circuit optimale pour toute intensité de bruit finie f. Cette borne supérieure s'applique à tous les opérateurs et aux mesures d'entropie d'intrication. Ces seuils restreignent fortement la recherche de stratégies optimales pour mettre en œuvre le protocole des ombres classiques et peuvent facilement être adaptés au système expérimental considéré.
*Les auteurs remercient le CRSNG, le FRQNT, l'INTRIQ, le Spin Chain Bootstrap Project par l'intermédiaire du DOE-BES et le Quantum Telescope Project par l'intermédiaire du DOE-HEP pour leur soutien financier.
Doctorant, Université de Sherbrooke
Directeur : Yves Bérubé-Lauzière
Contrôle optimal entièrement électrique de la dynamique complète d'une double boîte quantique à un seul électron
La double boîte quantique (DQD) à un seul électron munie de micro-aimants décrite dans [1] est une architecture très polyvalente et une candidate extrêmement prometteuse pour la réalisation physique d'un qubit. Bien que le contrôle électrique des états de charge de l'électron dans un tel dispositif soit depuis longtemps standard, la manipulation directe du spin nécessite des champs magnétiques oscillants, peu pratiques sur le plan expérimental. Cette difficulté peut être contournée grâce à la résonance de spin par dipôle électrique (EDSR), qui permet de manipuler l'état de spin de l'électron au moyen de champs électriques alternatifs dans de tels dispositifs [2].
Nous présentons une approche de contrôle par ascension de gradient fondée sur l'algorithme GOAT [3], qui combine le contrôle électrique standard des états de charge avec la manipulation électrique de l'état de spin par EDSR, afin d'obtenir un schéma de contrôle entièrement électrique de l'espace d'états complet de la DQD, utilisant des impulsions lisses à faible nombre de paramètres pour synthétiser des opérations arbitraires sur le dispositif.
[1] Benito, M. and Mi, X. and Taylor, J. M. and Petta,J. R. and Burkard, G. Phys. Rev. B 96, 235434 (2017)
[2] Benito, M. and Croot, X. and Adelsberger, C. and Putz, S. and Mi, X. and Petta, J. R. and Burkard, G. Phys. Rev. B 1 00, 125430(2019)
[3] Machnes, S. and Assémat, E. and Tannor, D. and Wilhelm, F. K. Phys Rev. Letters 120, 150401 (2018)
Doctorant, Université de Sherbrooke
Directeur : Alexandre Blais
Sujet à venir
Étudiant à la maîtrise, Polytechnique Montréal
Directeur : Denis Seletskiy
Spectroscopie optique des fluctuations de courant thermique détectées par interférence quantique de chemins d'absorption dans des semiconducteurs centrosymétriques
Nous proposons un schéma de mesure optique résolue en temps permettant d'échantillonner des courants thermiques transitoires à l'intérieur d'un semiconducteur centrosymétrique massif. La technique repose sur l'émission spontanée de lumière de seconde harmonique, déclenchée par un mélange à quatre ondes entre une excitation optique pulsée sous la bande interdite et une polarisation intrabande spontanée. Cette technique entièrement optique ne requiert ni contact ni champ de polarisation, ce qui en fait une méthode expérimentale novatrice pour explorer de manière non invasive les fluctuations thermiques et quantiques à l'état solide. Les estimations théoriques situent le signal entre 0,1 et 1 par rapport au bruit de grenaille de la sonde, ce qui motive des implémentations expérimentales de la proposition.
Doctorant, Université de Sherbrooke
Directeur : Max Hofheinz
Polarisation en tension précise et verrouillée en phase pour les dispositifs de photonique Josephson
Les dispositifs de photonique Josephson utilisent des jonctions Josephson polarisées en tension pour générer et mesurer des signaux quantiques micro-ondes. Dans ces dispositifs, l'énergie d'une paire de Cooper qui traverse par effet tunnel, 2eV, où V est la tension appliquée à la jonction, est transférée à un ou plusieurs photons micro-ondes. Le bruit de la tension de polarisation entraîne donc un bruit de phase dans les dispositifs, ce qui limite les performances de certains d'entre eux et en rend d'autres impossibles. Jusqu'à présent, dans notre groupe de recherche, des sources de tension ayant une impédance de sortie de 5 ohms ont été mises en œuvre et atteignent une température de bruit effective de 20 mK, ce qui correspond à un bruit de tension d'environ 2 pV/sqrt(Hz).
L'objectif de ce projet est de réduire encore davantage le bruit de tension et de contrôler la phase associée à l'intégrale temporelle de la tension, afin de rendre possibles de nouveaux dispositifs de photonique Josephson. Nous explorerons une façon d'utiliser les marches de Shapiro, où un signal d'horloge externe est appliqué à des jonctions Josephson pour générer des tensions extrêmement précises. La définition du volt dans le SI repose sur ce principe de fonctionnement depuis 1990.
Nous utiliserons ensuite ce dispositif pour explorer et alimenter d'autres dispositifs de photonique Josephson.
Étudiant à la maîtrise, Université McGill
Directeur : Kai Wang
Sujet à venir
Étudiant à la maîtrise, Université de Montréal
Directeur : Philippe St-Jean
Comprendre les fluctuations statistiques d'un champ photonique
La mesure de la fluctuation statistique d'une observable s'effectue par le calcul de cumulants statistiques, comme la variance. Récemment, plusieurs travaux théoriques ont montré que ces cumulants statistiques dépendent de la géométrie de la sous-région de l'espace dans laquelle ils sont mesurés. Ce projet de recherche vise à construire un montage d'imagerie quantique pour étudier l'évolution des fluctuations d'intensité dans un champ photonique. La première partie du projet consiste à construire un montage permettant d'imager une seule et unique impulsion de photons intriqués. La seconde consiste à analyser les fluctuations spatiales de ces impulsions uniques. Cela nous permettra d'étudier la transition du régime classique gaussien au régime quantique poissonien ou sous-poissonien, et d'examiner l'émergence de lois universelles décrivant l'évolution des cumulants statistiques. Ce projet fournira les moyens techniques d'étudier la transition entre les mondes classique et quantique, à partir des propriétés statistiques des fluctuations mesurées.
Doctorant, Université de Sherbrooke
Directeur : Yves Bérubé-Lauzière
Sujet à venir
Étudiant à la maîtrise, Université de Sherbrooke
Directeur : Stefanos Kourtis
Accélérer le dénombrement à l'aide des réseaux de tenseurs
Les réseaux de tenseurs sont un outil polyvalent employé dans de nombreux domaines, allant de la simulation classique de systèmes quantiques à N corps à la modélisation de circuits quantiques. Dans ce travail, nous discuterons de l'utilisation de cette méthode pour les problèmes de type SAT, plus précisément le #3-XORSAT. L'objectif de ce projet est d'étudier l'efficacité de la contraction de réseaux de tenseurs pour dénombrer les solutions d'instances de #3-XORSAT en fonction du rapport entre le nombre de clauses et le nombre de variables.
Étudiante à la maîtrise, Polytechnique Montréal
Directeur : Oussama Moutanabbir
Vers des détecteurs de photons uniques SWIR intégrés sur silicium
Étudiante et étudiant à la maîtrise, ÉTS
Directeur : Olivier Landon-Cardinal
Robustesse des classificateurs quantiques face aux attaques adverses
Évaluer la robustesse des réseaux neuronaux formés en utilisant l'informatique quantique contre les attaques adverses et comparer leur résilience et leurs performances à celles formées par des méthodologies informatiques classiques.
Étudiant à la maîtrise, Université de Sherbrooke
Directrice : Éva Dupont-Ferrier
Sujet à venir
Étudiant à la maîtrise, Université de Sherbrooke
Directeur : Mathieu Juan
Sujet à venir
Stagiaire postdoctoral, Université McGill
Directeur : Kai Wang
Dégénérescences exceptionnelles en queue d'aronde dans la compression à deux modes pilotée et dissipative
Nous explorons la structure des variétés exceptionnelles pour la dynamique de deux modes régie par un hamiltonien quadratique bosonique (BQH) général.
Nous montrons que l'espace de la morphologie des dégénérescences forme une structure en queue d'aronde \cite{arnol2003catastrophe} si la symétrie pseudo-hermitienne de la dynamique non hermitienne sous-jacente est brisée.
En brisant la symétrie pseudo-hermitienne par des pertes asymétriques pour les deux modes, nous construisons des trajectoires autour de la ligne exceptionnelle qui mènent à la topologie non triviale des valeurs propres des deux modes.
Enfin, nous discutons de la classification des dégénérescences en queue d'aronde et de la manière dont elles peuvent être mises en œuvre avec un oscillateur paramétrique optique.
Doctorant, Université de Montréal
Directeur : Philippe St-Jean
Sujet à venir
Doctorant, Université de Sherbrooke
Directrice : Éva Dupont-Ferrier
Sujet à venir
Étudiant à la maîtrise, Université de Sherbrooke
Directrice : Éva Dupont-Ferrier
Résonateurs supraconducteurs en NbN à facteur de qualité élevé
Les résonateurs micro-ondes à facteur de qualité élevé sont essentiels dans les détecteurs de photons, les amplificateurs limités quantiquement et d'autres dispositifs à circuits supraconducteurs. Notre objectif est de concevoir et de fabriquer des résonateurs supraconducteurs CPW en NbN sur silicium, que nous mesurons dans le régime à photon unique (SPR).
Doctorant, Université McGill
Directeur : Bill Coish
Amener un système d'Ising vers un isolant topologique de magnons par excitation périodique
Les isolants topologiques de magnons sont des systèmes bidimensionnels possédant un état fondamental magnétique ordonné et des excitations magnétiques bosoniques à gap (magnons). En présence d'une interaction de Dzyaloshinskii-Moriya (DMI) hors du plan, un système magnétique bidimensionnel peut supporter des excitations correspondant à des bandes de modes à un magnon et à deux magnons. Ces bandes peuvent être topologiquement non triviales (caractérisées par des nombres de Chern non nuls), et ces systèmes supportent donc des états de bord chiraux de magnons. Récemment, la réf. [1] a étudié des systèmes magnétiques dans lesquels les bandes à un magnon et à deux magnons (autrement triviales) sont hybridées par une DMI dans le plan, ce qui donne une structure de bandes topologiquement non triviale. Nous cherchons des systèmes magnétiques dans lesquels une telle hybridation entre des bandes (initialement triviales) de nombres de magnons différents est obtenue en pilotant le système avec des champs électromagnétiques dépendant du temps. Les bandes résultantes peuvent avoir des nombres de Chern non nuls, modifiables en faisant varier la phase relative entre des champs magnétiques alternatifs appliqués à deux fréquences distinctes.
Étudiant à la maîtrise, Université de Montréal
Directeur : Philippe St-Jean
Effet Hall anomal pour la lumière
La capacité d'émuler des états exotiques de la matière avec la lumière a ouvert la voie à la réalisation de phases topologiques de la matière très difficiles à étudier à l'état solide. Nous étudions ici des cristaux photoniques à réseau en nid d'abeilles déformé. Cette déformation induit des champs de jauge artificiels aux points de Dirac, de sorte que nous pouvons obtenir des champs électriques et/ou magnétiques effectifs (selon la déformation) agissant sur la lumière dans le cristal. À l'aide du module de simulation MPB (MIT Photonic Bands), nous observons des niveaux de Landau et l'effet Hall anomal pour la lumière, c'est-à-dire un déplacement non réciproque d'un paquet d'ondes lumineux. Pour ce dernier, nous montrons également que la direction de la déviation de Hall dépend de la polarisation circulaire de la lumière. Dans un avenir proche, nous envisageons d'exploiter ce routage chiral de la lumière pour intriquer des impuretés distantes à l'état solide.
Doctorant, Université de Sherbrooke
Directrice : Éva Dupont-Ferrier
Mesures de réflectométrie de grille sur des dispositifs CMOS industriels à l'aide d'inductances spirales supraconductrices
L'un des avantages de la création de qubits de spin dans le silicium est leur compatibilité avec les plateformes CMOS industrielles extensibles, ce qui facilite l'amélioration de l'extensibilité et de la fabrication des qubits de spin [1]. Cependant, la technique conventionnelle de lecture du spin, qui fait appel à un transistor à un électron placé près de la boîte quantique pour la détection de charge, impose une contrainte importante sur l'extensibilité des qubits de spin. À cet égard, la détection de charge par réflectométrie radiofréquence apparaît comme une méthode de lecture supérieure. Utilisant la même grille que celle qui contrôle les qubits, cette méthode offre non seulement une conception plus compacte [2,3,4], mais améliore aussi la vitesse de mesure et limite le bruit en 1/f en opérant dans une plage de radiofréquences.
Pour démontrer la compatibilité des mesures de réflectométrie avec les technologies CMOS, nous présentons des mesures de détection de charge par réflectométrie de grille sur diverses architectures de transistors présentant un fort potentiel pour la mise en œuvre de qubits de spin extensibles sur une plaquette de 300 mm. Ces architectures comprennent des nanofils de silicium FinFET, à grille enrobante (gate-all-around) et FDSOI. Nous étendons également cette technique à l'étude de technologies de rupture, comme les transistors à nanotube de carbone unique. Nous employons des inductances spirales supraconductrices pour obtenir un facteur de qualité plus élevé, une meilleure adaptation d'impédance et une plage de fréquences élargie, atténuant ainsi les différences d'impédance entre les dispositifs.
Doctorant, Université de Sherbrooke
Directeur : Baptiste Royer
Élargir le groupe stabilisateur GKP pour une meilleure protection contre le bruit
Encoder un qubit dans l'espace de Hilbert plus grand d'un oscillateur est un moyen efficace de protéger son information quantique contre la décohérence. Le code de Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP) en est un exemple prometteur, pour lequel il a été démontré que la correction d'erreurs quantiques prolonge la durée de vie du qubit. Jusqu'à présent, beaucoup d'efforts ont été consacrés à la préparation et à la stabilisation de l'état GKP, mais assez peu aux calculs utilisant le code GKP. Dans ce travail, nous cherchons l'implémentation physique optimale d'un circuit logique lorsqu'il est affecté par du bruit. Nous constatons ainsi que le groupe stabilisateur gaussien élargi permet de choisir entre des opérations physiques logiquement équivalentes. Par conséquent, nous proposons un algorithme qui sélectionne l'opération physique optimale pour effectuer une porte de Clifford prescrite, de manière à ce que l'état résultant soit moins sujet aux erreurs de perte et de déphasage.
Doctorante, Université de Sherbrooke
Directeur : Bertrand Reulet
Sujet à venir
Doctorant, Université de Sherbrooke
Directeur : Alexandre Blais
Estimation d'un déplacement isotrope avec des états GKP
Nous explorons l'utilisation d'états GKP stabilisés comme états capteurs pour l'estimation d'un déplacement gaussien isotrope. En nous appuyant sur des idées et des méthodes issues de la correction d'erreurs quantiques (QEC) et de la stabilisation GKP, nous montrons comment dépasser la limite d'estimation atteignable avec des états et des opérations gaussiens. En particulier, notre protocole met en œuvre une mesure d'estimation de phase tout en préservant le nombre de photons dans la cavité.
Doctorant, Université de Sherbrooke
Directrice : Éva Dupont-Ferrier
De zéro à héros : démarrer un processeur quantique à qubits de spin en un éclair
Les qubits de spin forment un bon processeur quantique, car ils ont un long temps de cohérence et sont compatibles avec les procédés de fabrication de l'industrie des semiconducteurs. Cependant, un réglage approfondi est nécessaire pour atteindre les fidélités de porte et de lecture les plus élevées requises pour le calcul quantique. Je présenterai des outils FPGA, développés avec le Quantum Engineering Toolkit de Keysight, conçus spécifiquement pour le réglage des boîtes quantiques. Je décrirai comment ces outils permettent un réglage plus rapide et plus simple. Plus précisément, je montre que certaines étapes du processus de réglage peuvent être effectuées 8,6 fois plus rapidement.
Doctorante, Université de Sherbrooke
Directeur : Max Hofheinz
Amplificateur limité quantiquement à haute fréquence
Mieux comprendre les phénomènes quantiques et faire progresser les technologies de prochaine génération dépend fortement de l'obtention de mesures précises. L'une des tâches les plus difficiles consiste à améliorer le rapport signal sur bruit. Habituellement, les signaux de réponse quantiques ont une énergie très faible, parfois de seulement quelques photons. La puissance transmise doit donc elle aussi être à ce faible niveau pour éviter la transition du qubit vers des états de plus haute énergie, ce qui compromettrait son rôle de système à deux états. Dans de nombreuses applications, comme la lecture d'un qubit, où il faut amplifier le signal en ajoutant le moins de bruit possible, l'utilisation d'un amplificateur limité quantiquement est essentielle.
Ce projet de recherche vise à développer et à caractériser un amplificateur limité quantiquement fonctionnant à haute fréquence à l'aide de l'amplification par effet tunnel inélastique de paires de Cooper (ICTA). Le terme « haute fréquence » désigne la plage de fonctionnement de l'amplificateur, qui s'étend ici de 75 à 110 GHz, soit la limite supérieure des composants micro-ondes disponibles, y compris l'amplificateur cryogénique. La nécessité d'un amplificateur limité quantiquement à ces fréquences n'est peut-être pas évidente pour les applications industrielles, mais elle est cruciale pour divers domaines de recherche scientifique, notamment la physique des particules (p. ex., la détection d'axions), le calcul quantique à haute fréquence et la radioastronomie.
On peut se demander pourquoi nous préférons l'ICTA à l'amplification paramétrique (PA). Comme nous l'avons vu au chapitre précédent, la PA nécessite une source micro-ondes et un réglage spécialisé de la fréquence de pompe, ce qui complique la conception, en particulier à haute fréquence, et augmente le coût. En revanche, l'ICTA offre une solution plus simple : en ajustant la tension de polarisation, nous pouvons accroître l'énergie des paires de Cooper sans recourir à des composants de réglage complexes. De plus, il est simple d'augmenter la fréquence de fonctionnement en élevant la tension continue, ce qui facilite le contrôle. Cette recherche vise donc à explorer le potentiel d'un amplificateur limité quantiquement à haute fréquence utilisant l'effet tunnel inélastique de paires de Cooper.
Étudiant à la maîtrise, Université McGill
Directeur : Bill Coish
Tomographie de processus quantique adaptée au matériel par inférence bayésienne
La matrice de transfert de Pauli peut être déterminée expérimentalement par tomographie de processus quantique, où des mesures d'un nombre exponentiellement grand d'observables, soumises à un nombre exponentiellement grand de conditions initiales, caractérisent complètement le processus quantique. Nous présentons une description analytique des sources d'erreurs incohérentes affectant des qubits de spin électronique sur un dispositif à double boîte quantique afin de calculer la matrice de transfert de Pauli. Grâce à cette description complète de la dynamique, nous appliquons des techniques d'inférence bayésienne pour quantifier de manière adaptative les sources d'erreurs de notre modèle avec le moins de mesures possible. Nous établissons ainsi un protocole de tomographie de processus quantique efficace et adapté au matériel.
Doctorant, Université de Sherbrooke
Directeur : Alexandre Blais
Boîte à outils pour les modèles dispersifs non réciproques en électrodynamique quantique en circuit
Nous proposons une méthode systématique pour construire des équations maîtresses de Lindblad dispersives effectives décrivant des circuits supraconducteurs faiblement anharmoniques couplés par un système linéaire non réciproque générique sans dissipation, avec des paramètres de couplage effectifs et des taux de décroissance exprimés en fonction des paramètres d'immittance caractérisant le coupleur. Cet article prolonge les travaux fondateurs de Solgun et al. [1] portant sur des coupleurs linéaires réciproques décrits par une réponse en impédance. Nous élargissons ici la boîte à outils existante afin d'y intégrer des éléments non réciproques, de tenir compte du couplage parasite direct entre les ports d'immittance, de contourner d'éventuelles singularités et d'inclure les effets dissipatifs collectifs qui découlent des interactions avec des environnements externes communs. Nous illustrons l'utilisation de nos résultats avec un circuit de jonctions Josephson faiblement anharmoniques couplées à un environnement non réciproque multiport et à un port dissipatif. Les résultats obtenus peuvent servir à la conception de processeurs quantiques supraconducteurs complexes avec un routage non trivial de l'information quantique, ainsi que de simulateurs quantiques analogiques de systèmes de matière condensée.
[1] F. Solgun, D. P.DiVincenzo, and J. M. Gambetta, Simple impedance response formulas for the dispersive interaction rates in the effective hamiltonians of low anharmonicity superconducting qubits, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 67,928 (2019)
Doctorant, Université de Sherbrooke
Directeur : Baptiste Royer
Opération protégée contre les erreurs sur des cavités supraconductrices par ingénierie de la dissipation
Stagiaire, Université de Sherbrooke
Directeur : Alexandre Blais
Formalisme de Floquet multimode et application à la porte Lambda du fluxonium
Dans ce travail, nous étudions la théorie de Floquet multimode (MMFT) et ses applications aux qubits supraconducteurs en présence de plusieurs excitations. Nous montrons comment l'utilisation combinée de la MMFT et de la théorie des perturbations numérique de Schrieffer-Wolff ou de Kolmogorov-Arnold-Moser fournit un éclairage précieux sur les collisions de fréquences qui surviennent lorsqu'on excite un système avec plusieurs tons. De plus, nous proposons une méthode pour obtenir la dynamique effective du système à l'aide de la matrice de Floquet-Shirley. En appliquant ces outils, nous explorons le système Lambda et illustrons l'émergence de transitions Raman cohérentes entre les états non couplés |g⟩ et |e⟩ dans notre cadre. En outre, nous analysons le qubit fluxonium à titre d'exemple, en extrayant la fréquence d'excitation requise pour réaliser une porte de type Lambda entre deux états sans couplage direct. Notre boîte à outils offre une solution plus rapide que les simulations complètes dans le temps et permet une compréhension plus approfondie des problèmes de contrôle à excitations multiples.
Doctorant, Université de Sherbrooke
Directeur : Mathieu Juan
Photo-initialisation de boîtes quantiques dans du GaAs non dopé
La mise à l'échelle des systèmes de boîtes quantiques définies par grilles est freinée par la croissance rapide du nombre de grilles de contrôle. Pour relever ce défi, nous proposons un nouveau schéma dans lequel les boîtes quantiques sont créées à partir de charges générées optiquement et piégées sous des grilles d'accumulation. En éclairant un substrat de GaAs non dopé avec une lumière laser d'énergie supérieure à la bande interdite, nous démontrons qu'il est possible de créer et de séparer des paires électron-trou pour former des boîtes quantiques de l'une ou l'autre polarité. En associant cette technique à un résonateur à guide d'onde coplanaire supraconducteur pour la lecture de charge [1-3], nous obtenons un dispositif fonctionnel de double boîte quantique à plusieurs charges avec un échange de charge interboîte contrôlable. Le dispositif, composé de seulement deux grilles plongeurs et d'une grille de couplage tunnel, montre que l'initialisation des boîtes quantiques ne nécessite ni réservoirs, ni polarisation source-drain, ni contacts ohmiques, ni dopage. Le nombre de grilles peut donc être réduit et le procédé de fabrication simplifié. De plus, cette nouvelle méthode peut être appliquée à un large éventail de systèmes de boîtes quantiques semiconductrices. Un tel dispositif hybride constitue un premier pas vers une conception plus extensible de réseaux de boîtes quantiques. C'est aussi un bon point de départ pour la transduction quantique grâce à l'interaction optique–matière–micro-ondes.
Stagiaire, ÉTS
Directeur : Olivier Landon-Cardinal
Développement d'un plugiciel PennyLane pour l'interfaçage avec MonarQ
Doctorant, Université de Sherbrooke
Directeur : Max Hofheinz
Photomultiplicateur micro-ondes en cascade fondé sur des jonctions Josephson polarisées en tension
Les détecteurs de photons uniques sont une composante essentielle de nombreux schémas de communication et de calcul quantiques, ainsi que de la physique fondamentale, comme la recherche de candidats à la matière noire tels que les photons sombres ou les axions. Alors qu'un large éventail de détecteurs de photons uniques est offert commercialement dans le domaine optique, les options sont encore peu nombreuses dans la gamme des micro-ondes. Nous proposons un dispositif efficace et flexible offrant une large bande passante et une dynamique élevée. Ce détecteur utilise des jonctions Josephson (JJ) pour photomultiplier un photon incident en plusieurs photons sortants. Pour ce faire, nous polarisons la jonction en tension, ce qui permet un gain d'énergie grâce à l'effet tunnel inélastique des paires de Cooper. Une salve micro-ondes à la sortie de ce dispositif indiquerait alors la présence d'un photon à l'entrée. Toutefois, un seul dispositif ne fournit pas un gain suffisant pour détecter une telle salve avec des amplificateurs linéaires. Pour augmenter le gain de photomultiplication, deux options s'offrent à nous : augmenter directement le gain en nombre de photons du processus de photomultiplication, ou mettre en cascade deux photomultiplicateurs. Nos analyses théoriques indiquent que cette dernière option promet un taux de faux positifs (taux d'obscurité) plus faible. Nous présentons ici le principe de fonctionnement et les premiers résultats de mesure. Le dispositif n'est pas encore entièrement optimisé, mais nous avons observé une photomultiplication allant jusqu'à 25, ce qui suffit pour lire le multiplicateur avec des amplificateurs linéaires.
Stagiaire postdoctorale, Université de Sherbrooke
Directeur : Stefanos Kourtis
Transport quantique bruité optimal sur des réseaux complexes
Le transport quantique assisté par l'environnement a été détecté expérimentalement et théoriquement dans de nombreux réseaux simples. Compte tenu du rôle clé du processus de transport optimal dans les systèmes complexes quantiques naturels et artificiels, il est d'une importance cruciale d'étudier comment l'efficacité de transfert sur des réseaux complexes quantiques soumis au bruit environnemental est influencée par la topologie du réseau. Motivés par l'efficacité remarquable du transport d'excitons au sein des systèmes photosynthétiques (complexes collecteurs de lumière) aux premières étapes de la photosynthèse, nous définissons l'efficacité de transfert comme la population totale transférée vers le site de piégeage. Nous généralisons l'équation maîtresse markovienne de Lindblad pour décrire la dynamique du processus de transport en présence d'un environnement déphasant à travers des réseaux complexes. Nos résultats numériques démontrent que le transfert le plus efficace exige un équilibre délicat entre l'hamiltonien du système et le déphasage pur induit par l'environnement, qui dépend fortement de la structure du réseau. Nous montrons que la robustesse du transport optimal face au bruit de déphasage est aussi influencée par la structure du réseau, de sorte que les réseaux d'Erdös-Rényi, ainsi que les réseaux sans échelle ayant une longueur moyenne de chemin plus courte, sont plus robustes que leurs réseaux réguliers correspondants ayant une longueur moyenne de chemin plus longue.
Étudiant à la maîtrise, Université de Sherbrooke
Directeur : Mathieu Juan
Sujet à venir
Doctorant, Université McGill
Directeur : Bill Coish
Sujet à venir
Étudiante à la maîtrise, Université de Sherbrooke
Directeur : Mathieu Juan
Boîtes quantiques dans du GaAs non dopé : industrialisation et améliorations
Les dispositifs à boîtes quantiques offrent une excellente cohérence et une grande efficacité de mesure, ainsi que de petites dimensions, ce qui en fait une approche prometteuse pour le calcul quantique. Néanmoins, l'intégration d'un grand nombre de boîtes quantiques demeure un défi. Ce projet tente de résoudre ce problème en simplifiant l'architecture des boîtes quantiques définies par grilles [1]. À l'aide d'un procédé de fabrication mieux adapté à l'industrialisation, une deuxième génération de dispositifs a été réalisée en collaboration avec le Conseil national de recherches Canada (CNRC). Toutefois, certains problèmes sont survenus au cours du procédé. Afin de préparer la fabrication de la prochaine génération de dispositifs, nous abordons dans ce travail certains de ces problèmes en optimisant la conception et la mesure du dispositif, et en explorant différentes méthodes de fabrication pour améliorer le facteur de qualité du résonateur.
[1] L'affiche de Pierre Lefloïc et Steve Lamoureux présentera plus en détail le fonctionnement de notre dispositif actuel.
Étudiant à la maîtrise, Université McGill
Directeur : Kai Wang
Sujet à venir
Doctorante, Université McGill
Directeur : Bill Coish
Sujet à venir