Nouveaux qubits de spin pour le calcul quantique
La mémoire vive quantique (QRAM) est une ressource clé de l’informatique quantique, présente dans de nombreuses
propositions théoriques, mais qui n’a jamais fait l’objet d’une démonstration expérimentale. Une QRAM est une mémoire quantique dans laquelle
il est possible de lire ou d’écrire des informations quantiques dans une superposition de cellules de mémoire [1]. Un tel dispositif
constitue un outil puissant pour la mise en œuvre d’une multitude d’algorithmes quantiques, notamment l’algorithme de recherche de Grover
[2, 3], la chimie quantique [4, 5], la cryptographie quantique [6] et l’apprentissage automatique quantique
[7], et est considéré par beaucoup comme essentiel pour un futur ordinateur quantique. Sa réalisation s’est également avérée difficile
en raison de la complexité de la mise en œuvre de l’adressage quantique du stockage quantique [8, 9].
Ce projet de thèse s’inscrira dans le cadre d’un projet plus large en cours visant à développer une QRAM à partir de défauts de spin paramagnétiques individuels
à l’état solide couplés à des dispositifs supraconducteurs. L’objectif principal de ce projet est
d’étudier de nouveaux systèmes de spin et de nouvelles conceptions de dispositifs en vue de la réalisation d’une QRAM évolutive.
De nouvelles espèces de spin à rapport gyromagnétique élevé permettront d’atteindre de nouveaux régimes de couplage spin-circuit qui étaient
jusqu’alors inaccessibles. L’utilisation du silicium comme substrat permettra aux futurs dispositifs d’atteindre des
facteurs de qualité plus élevés et rendra possibles des architectures avancées en tirant parti de la maturité de la
fabrication des dispositifs en silicium. Des noyaux à spin élevé, tels que le 167Er, seront également étudiés, ce qui permettra de mener des expériences avec
des qudits à spin nucléaire à haute cohérence. Ces développements repousseront les frontières d’une nouvelle plateforme hybride
de dispositifs quantiques avec des possibilités excitantes à la fois pour des architectures de processeur quantique futures et pour des expériences de physique fondamentale.
Routeur quantique basé sur un circuit hybride spin-supraconducteur
La QRAM est une mémoire quantique dans laquelle il est possible de lire ou d’écrire des informations quantiques dans une superposition
de cellules de mémoire. Un tel dispositif constitue un outil puissant pour la mise en œuvre d’une multitude d’algorithmes quantiques
et est considéré par beaucoup comme essentiel pour un futur ordinateur quantique. Sa réalisation s’est toutefois avérée
difficile en raison de la complexité liée à la mise en œuvre de l’adressage quantique de la mémoire
quantique. Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre d’un effort visant à utiliser des techniques récemment développées en matière de
détection de spin unique, de spectroscopie et de contrôle cohérent afin de mettre au point un routeur quantique, la cellule unitaire d’une
QRAM, en utilisant les spins électroniques et nucléaires à l’état solide. Ce travail de thèse consistera à mettre en œuvre
des schémas de portes CSWAP sur des défauts d’erbium dans du tungstate de calcium afin de réaliser une cellule unitaire de
QRAM à quatre qubits.
Détection ultrarapide par qubits volants électroniques et de Majorana
Une voie émergente pour l’information quantique consiste à utiliser des charges électroniques volantes, comme les excitations électroniques, en tant que qubits.
Ces qubits volants présentent un avantage majeur : l’interaction de Coulomb intrinsèque, permettant des portes logiques à deux qubits et des applications en détection quantique.
Par rapport aux qubits photoniques, ils offrent donc un levier naturel pour dépasser certaines limitations fondamentales.
Leur principal inconvénient réside dans la décohérence rapide, mais cette difficulté peut être atténuée en opérant à des échelles ultrarapides, de l’ordre de la picoseconde.
Une stratégie supplémentaire consiste à exploiter la protection topologique apportée par les modes de Majorana, quasi-particules non-Abéliennes insensibles aux perturbations locales.
Jusqu’ici, la majorité des travaux se sont concentrés sur des modes 0D localisés (aux extrémités de nanofils supraconducteurs), sans démonstrations expérimentales concluantes.
Notre projet de thèse propose une approche nouvelle, fondée sur les modes de Majorana chiraux 1D, constituant une voie vers des qubits volants protégés topologiquement.
L’ambition est de bâtir une plateforme inédite de calcul et de détection quantiques.
Cette plateforme exploitera le graphène multicouche, où peuvent être combinés effet Hall quantique anormal, supraconductivité et modes de Majorana chiraux.
Modèle de cinétique informé par la microstructure : application aux explosifs solides
Lorsqu'une composition explosive est soumise à une sollicitation intense telle un choc, l'onde ainsi générée interagit avec la microstructure et notamment avec les défauts qu'elle contient. De par la nature des défauts, une localisation de l'énergie peut apparaître comme lors de la compaction de la porosité qui peut donner lieu à l'apparition de points chauds. Au delà d'une certaine taille critique, ces points chauds croissent du fait de la décomposition chimique de l'explosif et cela peut dans certains cas mener à la création d'une onde de détonation. Le rôle de ces points chauds est donc déterminant dans l'amorçage des explosifs solides. La majorité des modèles macroscopiques utilisés pour l'étude de la transition choc-détonation (TCD) sont des modèles phénoménologiques calibrés sur des expériences (par exemple des expériences de jauges multibrins) ne rendant donc pas compte des singularités microstructurales propres à chaque explosif. Il devient alors nécessaire de recalibrer un modèle pour chaque composition, ce qui limite toute capacité prédictive.
Les études par microtomographie de microstructures réelles des compositions explosives ont révélées que celles-ci s'éloignent significativement d'une description moyenne basée sur un pore sphérique. Par segmentation d'image, ces microtomographies peuvent fournir des ingrédients essentiels aux codes de simulations à l'échelle mésoscopique: en effet, ces microstructures peuvent être prises directement en entrée de calcul ou bien servir de base pour générer des microstructures virtuelles mais réalistes, étendant alors la base de données accessible du fait des difficultés expérimentales à générer ce type d'images en grand nombre.
La puissance de calcul disponible aujourd'hui nous permet désormais d'envisager des simulations explicites de microstructures réalistes de compositions explosives. Ces simulations en deux, voire trois dimensions, seront les éléments de base pour la construction d'un modèle macroscopique de cinétique pour la modélisation de la transition choc-détonation. Les résultats attendus de ce travail sont transverses et pourront se transposer à tous les matériaux énergétiques composites. L'effet d'un endommagement thermique ou mécanique sur le comportement d'un explosif ou d'un propergol solide (problématique de vulnérabilité) pourrait également bénéficier de ce projet. Cette connaissance plus fine du rôle de la microstructure (forme des grains, porosités, etc.) pourrait également améliorer les procédés de fabrication des charges (par ex. "Very Insensitive"-RDX).
Activation thermique du glissement des dislocations vis dans les métaux de symétrie cubique centrée
L'activation thermique du glissement des dislocations joue un rôle essentiel dans la déformation plastique des métaux de structures et donc dans le vieillissement de ceux-ci. Le cas des dislocations vis dans les métaux de symétrie cubique centrée constitue un archétype pour lequel il existe déjà de nombreuses données expérimentales auxquelles nous pouvons confronter les prédictions théoriques issues de la théorie statistique de Vineyard [1,2]. Cette théorie est essentielle car elle permet d'établir une transition d'échelle depuis les calculs atomistiques les plus fins [3] jusqu'aux échelles macroscopiques des tests de déformation.
Dans le cadre de cette proposition de thèse nous souhaitons tester à l'échelle atomique la théorie statistique de Vineyard en comparant les prédictions de la théorie avec des simulations de dynamique moléculaire [4]. Nos calculs préliminaires ont montré un désaccord notablement important tandis que la même comparaison pour la migration de défauts ponctuels tels que les lacunes ou les interstitiels montrait un bon accord. Si ces résultats sont confirmés il nous faudra établir une correction et mesurer l'impact de cette correction sur les prédictions théoriques associées aux essais de traction concernant les dislocations vis dans les métaux de symétrie cubique centrée. Nous accorderons une attention particulière au fer-alpha pour lequel nous disposons de nombreuses données expérimentales [5].
[1] Vineyard G.H., J. Phys. Chem. Solids 3, 121 (1957).
[2] Proville L., Rodney D., Marinica M-C., Nature Mater. 11, 845 (2012).
[3] Proville L., Ventelon L., Rodney D., Phys. Rev. B 87, 144106 (2013).
[4] Proville L., Choudhury A., Nature Mater. 23, 47 (2024).
[5] Caillard D., Acta Mater. 58, 3504 (2010).
Comprendre les signaux émis par les liquides en mouvement
L'élasticité est l'une des plus anciennes propriétés physiques de la matière condensée. Elle s'exprime par une constante de proportionnalité G entre la contrainte appliquée (s) et la déformation (?) : s = G.? (loi de Hooke). L'absence de résistance à la déformation de cisaillement (G' = 0) indique un comportement de type liquide (modèle de Maxwell). Longtemps considérée comme spécifique aux solides, l'élasticité de cisaillement a récemment été identifiée dans les liquides à l'échelle submillimétrique notamment mis en évidence par un groupe au Laboratoire Léon Brillouin [1].
L'identification de l'élasticité de cisaillement des liquides (G' non nul) est une promesse de découverte de nouvelles propriétés liquides. Nous avons ainsi montré qu'un liquide confiné change de température sous l'effet d'un écoulement. Pourtant, aucun modèle classique (Poiseuille, Navier-Stokes, Maxwell) ne prédit cet effet, car sans corrélation à longue portée entre les molécules (c'est-à-dire sans élasticité), l'écoulement est dissipatif, donc athermique. Pour qu'un changement de température soit induit par l'écoulement (sans source de chaleur), le liquide doit présenter une élasticité et cette élasticité doit être sollicitée mécaniquement [1,2]. La thèse de doctorat explorera la conversion de l'énergie mécanique de l'écoulement en températures hors-équilibre (Non-Fourier) [2]. Nous exploiterons notamment cette capacité de conversion pour développer une nouvelle génération de systèmes microfluidiques (brevet FR2206312).
Nous explorerons également l'impact du mouillage sur l'écoulement et, réciproquement, nous examinerons comment l'écoulement liquide modifie la dynamique solide (THz) du substrat [3]. Des méthodes performantes, disponibles uniquement dans les Très Grandes Installations de Recherche (TGIR) comme l'ILL, seront utilisées pour sonder la dynamique hors-équilibre des phonons. Enfin, nous renforcerons nos collaborations existantes avec des théoriciens.
Le sujet de thèse porte sur le mouillage, les effets thermiques macroscopiques, la dynamique des phonons et le transport liquide.
Références:
1. A. Zaccone, K. Trachenko, “Explaining the low-frequency shear elasticity of confined liquids" PNAS, 117 (2020) 19653–19655. Doi:10.1073/pnas.2010787117
2. E. Kume, P. Baroni, L. Noirez, “Strain-induced violation of temperature uniformity in mesoscale liquids” Sci. Rep. 10 13340 (2020). Doi: 10.1038/s41598-020-69404-1.
3. M. Warburton, J. Ablett, P. Baroni, JP Rueff, L. Paolasini, L. Noirez, “Identification by Inelastic X-Ray scattering of bulk alteration of solid dynamics due to Liquid Wetting”, J. of Molecular Liquids 391 (2023) 123342202.