Résonances de Förster à quelques corps dans les atomes de Rydberg pour la mise en oeuvre de l'informatique quantique

Few-body Förster resonances in Rydberg atoms for the implementation of quantum computing

• Auteur / Autrice : Ivan Ashkarin
• Direction : Patrick Cheinet, Ilya Beterov
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 18/12/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Aimé Cotton (Orsay, Essonne) - Institute of Semiconductor Physics. Siberian branch of Russian Academy of Science (Novosibirsk, Russie)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Chris Westbrook
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christiane Koch, Guido Pupillo, Martin Robert de Saint Vincent
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christiane Koch, Guido Pupillo
• DOI : 10.70675/eebef4cdzf16dz4fbcz9077z90e6d536c474

Mots clés

Mots clés contrôlés

États de Rydberg

Informatique quantique

Effet Stark

Simulation quantique

Métaux alcalins

Mots clés libres

Atome de Rydberg

Résonance de Förster

Informatique quantique

Porte quantique

Porte de Toffoli

Porte de phase

Rydberg atoms

Förster resonance

Quantum computing

Quantum gate

Toffoli gate

Phase gate

Résumé

L'application des résonances de Förster à plusieurs corps est étudiée pour réaliser des circuits de portes quantiques multi-qbits. Deux nouveaux types de transitions borroméennes à trois atomes utilisant un atome relais ont été proposées et étudiées numériquement. En particulier, une résonance de Förster à trois atomes non isolée et contrôlée par effet Stark entre des états S et P de niveaux élevés n = 80, 81, 82 avec des atomes de Rb isolés dans des pièges optiques a été modélisée. Une résonance de Förster isolée à trois atomes a également été démontrée pour les états n = 70, 71 des atomes Rb. Les résonances ont été étudiées dans une configuration spatiale fixe, ce qui nous a permis de démontrer l'évolution cohérente de la population et de la phase des états collectifs impliqués. Des schémas de portes de Toffoli à trois qubits ont été développés et modélisés numériquement sur la base des résonances démontrées dans des ensembles à trois atomes. En outre, un schéma généralisé de porte de phase doublement contrôlée CCPHASE a été développé sur la base de la résonance de Förster à trois corps induite par radiofréquence. De plus, un schéma de porte quantique similaire a été proposé sur la base de la résonance de Förster induite par radiofréquence à deux atomes avec un déplacement contrôlé par interaction avec le troisième. Les performances rapides et la grande fidélité des schémas proposés, ainsi que leur robustesse potentielle aux erreurs, nous permettent d'espérer le succès d'une réalisation expérimentale prochainement.

Application of few-body Förster resonances for implementation of multiqubit quantum gate circuits has been investigated. New types of three-atom Borromean transitions based on the relay atom have been proposed and numerically studied. In particular, a Stark-controlled non-isolated three-atom Förster resonance between high-lying n = 80, 81, 82 S − P states of Rb atoms isolated in individual optical traps has been modeled. Isolated three-atom Förster resonance has also been demonstrated for n = 70, 71 states of Rb atoms. The resonances were investigated in a fixed spatial configuration, allowing us to demonstrate the coherent population and phase dynamics of the collective states involved. Three-qubit Toffoli gates schemes have been developed and numerically modeled based on the demonstrated resonances. Also, a generalized doubly controlled phase CCPHASE gate scheme has been developed based on the radiofrequency-induced three-body Förster resonance. Additionally, a similar quantum gate scheme has been proposed based on two-atom RF-induced Förster resonance with controlled displacement. The fast performance and high fidelity of the proposed schemes, as well as their potential robustness to errors, allow us to expect a successful experimental implementation in the near future.