Caractérisation et vérification des technologies quantiques de grande échelle par mesures aléatoires – QRand

Les technologies quantiques bénéficient d'un effort significatif pour développer de nombreuses plateformes: atomes froids, circuits quantiques supraconducteurs, etc. Ces développements permettent de construire des simulateurs quantiques qui cherchent à reproduire et mieux comprendre des phénomènes clés de physique quantique à plusieurs corps (supraconductivité haute température, phases topologiques, etc). La fabrication d'ordinateurs quantiques constitués de 'bits quantiques' pouvant dépasser les performances des ordinateurs classiques est une autre application majeure de ces plateformes expérimentales. Alors que les technologies quantiques bénéficient d'investissements massifs, un challenge majeur se présente : comment mesurer dans de telles expériences les propriétés physiques clés d'un grand système quantique complexe ?

Le projet QRand a pour objectif de répondre à ce challenge en proposant un ensemble complet de protocoles de mesures pour technologies quantiques qui s'appuie sur le principe des 'mesures aléatoires' (MA). Les MA consistent à réaliser des mesures quantiques projectives à la suite d'une opération unitaire aléatoire. Les corrélations statistiques entre ces mesures donnent ensuite accès aux quantités physiques que l'on cherche a mesurer. Le porteur du projet Benoit Vermersch (BV) a développé ces méthodes lors de son post-doctorat, et a participé à la première démonstration expérimentale des MA permettant la première mesure directe d'une entropie d'intrication dans un système d'ions piégés. Ces premiers résultats ont montré que les mesures aléatoires peuvent devenir la méthode de référence pour mesurer les propriétés physiques des simulateurs et ordinateurs quantiques.

Le premier objectif de QRand est de dériver une théorie générale des MA reliant les différentes quantités physiques associées à un état quantique à une combinaison de moments statistiques de mesures aléatoires (ceci étant les quantités 'mesurables'). Cette théorie aura des conséquences et résultats importants en termes de nouveaux protocoles qui permettront de mesurer pour la première fois l'ensemble des entropies de Rényi, l'entropie de von-Neumann, la négativité quantique caractérisant les propriétés universelles des transitions de phases quantique, et les paramètres d'ordre non-locaux associés aux phases topologiques de systèmes en interactions.

Notre deuxième objectif est d’étendre le nombre de systèmes physiques pouvant réaliser des mesures aléatoires. Au sein de deux collaborations avec des groupes expérimentaux, nous allons d'abord adapter et appliquer des mesures aléatoires dans des systèmes de qubits supraconducteurs. Nous allons également étendre les mesures aléatoires aux systèmes d'atomes de Rydberg et atomes ultra-froids à l'aide de nouveaux types d'opérations aléatoires reproductibles. Ce deuxième objectif permettra de mesurer l'intrication dans de multiples nouvelles plateformes expérimentales, et en particulier d'implémenter les nouveaux protocoles mis au point dans le contexte du premier objectif.

Les objectifs ambitieux de QRand s'appuient sur une expertise unique combinant optique quantique théorique, théorie des matrices aléatoires, et simulations numériques du problème quantique à plusieurs corps 'tensor-networks'. Cette approche interdisciplinaire constitue le socle nécessaire pour proposer les protocoles de mesures les plus pertinents pour étudier la matière quantique hautement intriquée à grand nombre de particules avec les technologies quantiques actuelles.

QRand est une excellente opportunité pour BV de fonder une activité de recherche indépendante en théorie des technologies quantiques à Grenoble, et d’établir des synergies fortes avec des partenaires locaux et internationaux. QRand bénéficie notamment d'accords de collaboration avec des groupes expérimentaux, ainsi qu'avec un partenaire industriel.