Information quantique et calcul quantique – une introduction

Information quantique et calcul quantique – une introduction

Reservoir computing using a delayed feedback system: towards photonic implementations

Delayed feedback systems are known to exhibit a rich dynamical behavior, showing a wide variety of dynamical regimes. We use this richness to implement reservoir computing, a processing concept in machine learning. In this paper we demonstrate the proof of principle on an electronic system, however the approach is readily transferable to photonics, promising fast and computationally efficient all-optical processing. Using only one single node with delayed feedback instead of an entire network of nodes, we succeed in obtaining state-of-the-art results on benchmarks such as spoken digit recognition and system identification

Information quantique, calcul quantique : des rudiments à la recherche

Information quantique, calcul quantique : des rudiments à la recherche

Measurement of the atom number distribution in an optical tweezer using single photon counting

We demonstrate in this paper a method to reconstruct the atom number distribution of a cloud containing a few tens of cold atoms. The atoms are first loaded from a magneto-optical trap into a microscopic optical dipole trap and then released in a resonant light probe where they undergo a Brownian motion and scatter photons. We count the number of photon events detected on an image intensifier. Using the response of our detection system to a single atom as a calibration, we extract the atom number distribution when the trap is loaded with more than one atom. The atom number distribution is found to be compatible with a Poisson distribution.Comment: 6 pages, 5 figure

Controlled deflection of cold atomic clouds and of Bose-Einstein condensates

We present a detailed, realistic proposal and analysis of the implementation of a cold atom deflector using time-dependent far off-resonance optical guides. An analytical model and numerical simulations are used to illustrate its characteristics when applied to both non-degenerate atomic ensembles and to Bose-Einstein condensates. Using for all relevant parameters values that are achieved with present technology, we show that it is possible to deflect almost entirely an ensemble of $^{87}$Rb atoms falling in the gravity field. We discuss the limits of this proposal, and illustrate its robustness against non-adiabatic transitions

Hamiltoniens locaux et information quantique en dimensions réduites

Cette thèse exploite les liens profonds entre la physique des systèmes quantiques locaux, les propriétés non locales de leurs états fondamentaux et le contenu en information de ces états. Les deux premiers chapitres sont consacrés à l’application des systèmes quantiques locaux pour les fins d’une tâche informationnelle précise, soit le calcul quantique. Au terme d’un bref survol de la théorie, nous proposons un patron pour le calcul quantique universel et évolutif pouvant être réalisé sur une grande variété de plateformes physiques, et démontrons qu’il est particulièrement résilient face à un bruit anisotrope. Les quatre derniers chapitres sont pour leur part consacrés à l’approche informationnelle des systèmes quantiques à corps multiples. Nous décrivons les principales propriétés des corrélations et de l’intrication dans les états fondamentaux des systèmes de dimensions réduites les plus courants, en distinguant systèmes non critiques et systèmes critiques. Nous montrons que ces propriétés sont fortement modifiées par la présence de frustration géométrique dans les chaînes de spins. Enfin, nous réalisons une analyse exhaustive des corrélations et de l’intrication dans les états fondamentaux de deux théories quantiques de champs non triviales.This thesis exploits the deep connections between the physics of local quantum systems, the nonlocal features in their ground states, and the information content of these states. The first two chapters are dedicated to the application of local quantum systems for the purpose of a definite information-theoretical task, namely quantum computation. After a brief survey of the theory, we propose a scheme for scalable universal quantum computation that, we argue, could be implemented on a wide variety of physical platforms, and show that it is particularly resilient to anisotropic noise. The last four chapters are dedicated to the information-theoretical approach of many-body quantum systems. We describe the main properties of correlations and entanglement in the ground states of the most common low-dimensional many-body systems, distinguishing between noncritical systems and critical ones. We show how these properties can be dramatically modified by the presence of geometric frustration in spin chains. Finally, we perform an intensive study of correlations and entanglement in the ground states of two nontrivial one-dimensional quantum field theories

Superadiabatic STIRAP: population transfer and quantum rotation gates

Stimulated Raman Adiabatic Passage is an important pro- cess for population transfer as well as for implementing quantum gates. This process requires large Rabi frequencies, which is an undesirable in many experimental applications. To overcome this problem transition- less (superadiabatic) STIRAP was proposed. In this paper we study the role of superadiabatic STIRAP in two examples, population transfer and quantum rotation gates. The effect of dephasing was also investigated by computing the fidelity. We have shown that the damping of the excited state has a little effect but the dephasing of the ground state leads to imperfect population transfer and imperfect rotation gates

Approche industrielle aux boîtes quantiques dans des dispositifs de silicium sur isolant complètement déplété pour applications en information quantique

La mise en oeuvre des qubits de spin électronique à base de boîtes quantiques réalisés en utilisant une technologie avancée de métal-oxyde-semiconducteur complémentaire (en anglais: CMOS ou Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) fonctionnant à des températures cryogéniques permet d’envisager la fabrication industrielle reproductible et à haut rendement de systèmes de qubits de spin à grande échelle. Le développement d’une architecture de boîtes quantiques à base de silicium fabriquées en utilisant exclusivement des techniques de fabrication industrielle CMOS constitue une étape majeure dans cette direction. Dans cette thèse, le potentiel de la technologie UTBB (en anglais: Ultra-Thin Body and Buried oxide) silicium sur isolant complétement déplété (en anglais: FD-SOI ou Fully Depleted Silicon-On-Insulator) 28 nm de STMicroelectronics (Crolles, France) a été étudié pour la mise en oeuvre de boîtes quantiques bien définies, capables de réaliser des systèmes de qubit de spin. Dans ce contexte, des mesures d’effet Hall ont été réalisées sur des microstructures FD-SOI à 4.2 K afin de déterminer la qualité du noeud technologique pour les applications de boîtes quantiques. De plus, un flot du processus d’intégration, optimisé pour la mise en oeuvre de dispositifs quantiques utilisant exclusivement des méthodes de fonderie de silicium pour la production de masse est présenté, en se concentrant sur la réduction des risques de fabrication et des délais d’exécution globaux. Enfin, deux géométries différentes de dispositifs à boîtes quantiques FD-SOI de 28nm ont été conçues et leurs performances ont été étudiées à 1.4 K. Dans le cadre d’une collaboration entre Nanoacademic Technologies, Institut quantique et STMicroelectronics, un modèle QTCAD (en anglais: Quantum Technology Computer-Aided Design) en 3D a été développé pour la modélisation de dispositifs à boîtes quantiques FD-SOI. Ainsi, en complément de la caractérisation expérimentale des structures de test via des mesures de transport et de spectroscopie de blocage de Coulomb, leur performance est modélisée et analysée à l’aide du logiciel QTCAD. Les résultats présentés ici démontrent les avantages de la technologie FD-SOI par rapport à d’autres approches pour les applications de calcul quantique, ainsi que les limites identifiées du noeud 28 nm dans ce contexte. Ce travail ouvre la voie à la mise en oeuvre des nouvelles générations de dispositifs à boîtes quantiques FD-SOI basées sur des noeuds technologiques inférieurs.Abstract: Electron spin qubits based on quantum dots implemented using advanced Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) technology functional at cryogenic temperatures promise to enable reproducible high-yield industrial manufacturing of large-scale spin qubit systems. A milestone in this direction is to develop a silicon-based quantum dot structure fabricated using exclusively CMOS industrial manufacturing techniques. In this thesis, the potential of the industry-standard process 28 nm Ultra-Thin Body and Buried oxide (UTBB) Fully Depleted Silicon-On-Insulator (FD-SOI) technology of STMicroelectronics (Crolles, France) was investigated for the implementation of well-defined quantum dots capable to realize spin qubit systems. In this context, Hall effect measurements were performed on FD-SOI microstructures at 4.2 K to determine the quality of the technology node for quantum dot applications. Moreover, an optimized integration process flow for the implementation of quantum devices, using exclusively mass-production silicon-foundry methods is presented, focusing on reducing manufacturing risks and overall turnaround times. Finally, two different geometries of 28 nm FD-SOI quantum dot devices were conceived, and their performance was studied at 1.4 K. In the framework of a collaboration between Nanoacademic Technologies, Institut quantique, and STMicroelectronics, a 3D Quantum Technology Computer-Aided Design (QTCAD) model was developed for FD-SOI quantum dot device modeling. Therefore, along with the experimental characterization of the test structures via transport and Coulomb blockade spectroscopy measurements, their performance is modeled and analyzed using the QTCAD software. The results reported here demonstrate the advantages of the FD-SOI technology over other approaches for quantum computing applications, as well as the identified limitations of the 28 nm node in this context. This work paves the way for the implementation of the next generations of FD-SOI quantum dot devices based on lower technology nodes