Simulation numérique de décohérence et mesure quantique dans des dispositifs nanoéléctroniques

par Benoît Rossignol

Projet de thèse en Physique Théorique

Sous la direction de Xavier (phys) Waintal et de Christoph Groth.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de Physique , en partenariat avec PHotonique, ELectronique et Ingéniérie QuantiqueS (laboratoire) depuis le 05-10-2016 .


  • Résumé

    Sujet: Simulation numérique de la décohérence et mesure quantique dans des dispositifs nanoélectroniques. Description: Après avoir été un objet d'études depuis quelques décennies, la nanoélectronique quantique avance pour devenir la base sur laquelle le premier ordinateur quantique pourrait se construire. Le défi est immense et même les questions les plus fondamentales - comme ce qui devrait être la mise en œuvre physique des bits quantiques (qubits) – n'ont pas encore de réponses définitives. La communauté de Grenoble suit activement plusieurs pistes expérimentales dont GaAs / GaAlAs à base de spin ou de charge qubits, Silicon CMOS, qubits basé, qubits supraconducteurs, qubits volants, centre NV en diamants ... En vue d'évaluer le potentiel d'un candidat de qubit donné, il est d'une importance primordiale de comprendre comment il devient corrélé avec son environnement local, à savoir les mécanismes de décohérence et la mesure quantique. Cet enchevêtrement modifie profondément la dynamique quantique qui devient irréversible et stochastique. Dans cette thèse, nous nous efforcerons de développer un cadre cohérent pour intégrer l'environnement dans une approche numérique du temps de transport quantique dépendant. En collaboration avec TU Delft et Qutech, notre groupe a développé une plate-forme open source - Kwant, http://kwant-project.org - qui peut être utilisé pour modéliser un grand spectre des systèmes physiques, y compris tous les qubits mentionnés ci-dessus. Nous avons aussi récemment étendu Kwant au domaine temporel et notre groupe détient actuellement le record de l'algorithme de résolution temporelle plus rapide. La première partie de cette thèse sera consacrée à prolonger notre approche dépendante du temps pour inclure un environnement utilisant l'approche de Monte Carlo quantique. Dans la deuxième partie, nous étudierons différents (la plupart du temps de Grenoble) configurations physiques et essayerons de trouver la route qui est plus prometteuse - ou peut-être proposer de nouveaux itinéraires alternatifs. Dans la dernière partie, nous allons récolter les progrès théoriques récents réalisés dans la compréhension du lien entre intrication et électroniques corrélations pour construire un nouvel algorithme (basé sur les « matrix products states ») capable de gérer les corrélations électroniques locales. Les travaux comprendront des aspects théoriques / formalisme (sur le formalisme d'équilibre à plusieurs corps, diagrammes de Feynman ...), numériques (en utilisant des approches modernes basées sur Python) et la modélisation des systèmes physiques concrète (y compris les semi-conducteurs et / ou supraconducteurs) . La thèse se déroulera au sein du groupe de la théorie du CEA Grenoble, AINC, PHELIQS (Photonique, nanoélectronique et de l'ingénierie quantique). Notre groupe contient 15-20 chercheurs travaillant sur la nanoélectronique, la supraconductivité, magnétisme et corrélations électroniques en étroite collaboration avec les groupes expérimentaux. Le projet lui-même se fera sous la direction de Christoph Groth (christoph.groth@cea.fr) et Xavier Waintal (xavier.waintal@cea.fr).

  • Titre traduit

    Numerical simulation of decoherence and quantum measurement in nanoelectronic devices.


  • Résumé

    Subject: Numerical simulation of decoherence and quantum measurement in nanoelectronic devices. Description: After being an object of studies for a few decades, quantum nanoelectronics is now moving forward to become the basis on which the first quantum computer could be build. The challenge is immense and even the most basic questions - such as what should be the actual physical implementation of the quantum bits (qubit) - do not have definite answers yet. The Grenoble community is actively following several experimental leads including GaAs/GaAlAs based spin or charge qubits, Silicon CMOS based qubits, superconducting qubits, flying qubits, NV center in diamonds...ln order to assess the potential of a given qubit candidate, it is of prime importance to understand how it becomes entangled with its local environment, i.e. the mechanisms of decoherence and quantum measurement. This entanglement deeply modifies the quantum dynamics that becomes irreversible and stochastic. In this thesis, we will endeavor to develop a coherent framework to incorporate the environment into a numerical approach of time dependent quantum transport. In collaboration with TU Delft and Qutech, our group has developed an open source platform - Kwant, http://kwant-project.org - which can be used to model a large spectrum of physical systems, including all the qubits mentioned above. We have also recently extended Kwant to the time domain and our group currently holds the record of the fastest time-resolved algorithm. The first part of this thesis will be devoted to extend our time dependent approach to include the environment using the stochastic path quantum Monte Carlo approach. In the second part, we will study various (mostly from Grenoble) physical setups and try and find which route is more promising - or perhaps propose new alternative routes. In the last part, we will harvest recent theoretical progress made in the understanding of the link between entanglement and electronic correlations to built a new algorithm (based on the so called matrix product states) capable of handling local electronic correlations. The work will involve theoretical / formalism aspects (out of equilibrium many-body formalism, Feynman diagrams...), numerics (using modern approaches based on Python) and the modelisation of concrete physical systems (including semi-conductors and/or superconductors). The PhD will take place within the theory group of CEA Grenoble, INAC, PHELIQS (Photonics NanoElectronics and Quantum engineering). Our group contains 15-20 researchers working on nanoelectronics, superconductivity, magnetism and electronic correlations in close collaboration with experimental groups. The project itself will be done under the direction of Christoph Groth (christoph.groth@cea.fr) and Xavier Waintal (xavier.waintal@cea.fr).