Simulation quantique pour électrons fortement corrélés avec des atomes neutres : vers une simulation de matériaux d'intérêts

Quantum simulation for strongly interacting fermions with neutral atoms array : towards the simulation of materials of interest

• Auteur / Autrice : Antoine Michel
• Direction : Antoine Browaeys
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 20/12/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et Matière
• Partenaire(s) de recherche : référent : Institut d'Optique
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Charles Fabry / Optique Quantiques - EDF - Matériaux et mécaniques des composants
• Jury : Président / Présidente : Silke Biermann
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Benoît Vermersch, Guido Pupillo, David Clément
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Benoît Vermersch, Guido Pupillo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chimie quantique

Matériaux

Atomes froids

Matière condensée

Simulation quantique

Mots clés libres

Simulation quantique

Systèmes fortement corrélés

Atomes froids

Matériaux

Chimie

Quantum simulation

Strongly interacting systems

Rydberg atoms

Materials

Chemistry

Résumé

La simulation quantique fait entrevoir la promesse d’améliorer les simulations atomiques utilisées à EDF pour anticiper le vieillissement des matériaux d’intérêts. Un simulateur en particulier semble particulièrement adapté pour modéliser des électrons en interaction : les atomes de Rydberg. Le premier travail de cette thèse est de concevoir un algorithme variationnel implémentable sur un simulateur à atomes de Rydberg pour la chimie. Cet algorithme est spécialement conçu pour cette plateforme et optimisé par des outils théoriques récents. Nous comparons nos résultats numériques, obtenus avec une émulation d’une vraie expérience, avec d’autres approches et montrons que notre méthode est plus efficace. Enfin, nous montrons qu’en limitant le nombre de mesures pour que l’expérience soit réalisable sur une vraie architecture, nous pouvons atteindre l’énergie fondamentale des molécules H2, LiH et BeH2 avec 5% d’erreur.Pour un deuxième algorithme, nous avons utilisé la méthode des spins “esclaves” afin d’implémenter la physique du modèle de Fermi-Hubbard 2D sur un simulateur à atomes de Rydberg. L’idée est de découpler les degrés de liberté de charges et des spins “esclaves” à l’aide d’un champ moyen pour obtenir deux Hamiltoniens auto-cohérents : un résolvable classiquement et un Hamiltonien d’Ising qui peut être reproduit sur un simulateur quantique. Nous montrons numériquement que nous pouvons retrouver une transition de Mott du modèle initial avec cette méthode même en émulant le bruit d’une vraie expérience et nous montrons que nous pouvons aussi retrouver la dynamique des électrons hors équilibre dans ce même paradigme avec de bons résultats. Les deux algorithmes peuvent potentiellement être améliorés théoriquement jusqu’à atteindre des matériaux d’intérêts, mais ils sont aussi implémentables sur les architectures existantes aujourd’hui, pour atteindre un potentiel avantage quantique

Quantum simulation holds the promise of improving the atomic simulations used at EDF to anticipate the ageing of materials of interest. One simulator in particular seems well suited to modeling interacting electrons: the Rydberg atoms. The first task of this thesis is to design a variational algorithm that can be implemented on a Rydberg atom simulator for chemistry. This algorithm is specially designed for this platform and optimized by recent theoretical tools. We compare our numerical results, obtained with an emulation of a real experiment, with other approaches and show that our method is more efficient. Finally, we show that by limiting the number of measurements to make the experiment feasible on a real architecture, we can reach the fundamental energy of H2, LiH and BeH2 molecules with 5% error.For a second algorithm, we used the "slave" spin method to implement the physics of the Fermi-Hubbard 2D model on a Rydberg atom simulator. The idea is to decouple the degrees of freedom of charges and "slave" spins using a mean field to obtain two self-consistent Hamiltonians: a classically solvable one and an Ising Hamiltonian that can be reproduced on a real machine. We show numerically that we can recover a Mott transition from the initial model with this method even when emulating the noise of a real experiment, and we show that we can also recover the dynamics of non-equilibrium electrons in this same paradigm with good results. Both algorithms can possibly be improved theoretically until they reach materials of interest, but they can also be implemented on today's existing architectures, to achieve a potential quantum advantage