2. Diplômes
3. Diplôme ingénieur ISIMA (statut étudiant)
4. 1ère année
5. Semestre 5
6. tc
7. si
8. Fondements physiques de l'informatique classique et quantique

Fondements physiques de l'informatique classique et quantique

Objectifs

Ce cours vise à explorer les fondements physiques ayant permis l’avènement de l’informatique, tant classique que quantique. Il propose une étude approfondie de la structure de la matière à travers les perspectives classique et quantique, et examine les états quantiques de l’électron dans l’atome à partir des solutions de l’équation de Schrödinger. Une attention particulière est portée à la modélisation des composants électroniques, tels que la diode et le transistor, qui constituent la base du fonctionnement des bits classiques.

Une partie de ce cours est dédié aux principes physiques sous-jacents à la programmation quantique, abordant les défis liés à la conception des ordinateurs quantiques, notamment les différentes natures de qubits et les contraintes associées. Les propriétés physiques de superposition, de décohérence et d'intrication des qubits sont exposés. Les fondements de la programmation quantique sont introduits à travers une présentation des principales portes quantiques.

Au second semestre, les étudiants participent à des travaux pratiques visant à appliquer ces concepts. Ces sessions incluent notamment l’implémentation des principes de la programmation quantique sur la plateforme IBM Quantum.

 

Plan du cours

1. Structure de la matière

• Structure des atomes :
  • Noyau
  • Nuage électronique : Equation de Schrödinger, Etat quantique de l'électron dans l'atome, qubit de spin
  • Remplissage des orbitales
• Classification périodique
• Le bit classique - Le bit quantique

2. Matériaux semi-conducteurs

• Liaison covalente
• Matériaux conducteurs, diélectriques, semi-conducteurs
• Semi-conducteurs intrinsèques, extrinsèques
• Structure de bandes d’énergie – Niveau d’énergie de Fermi
• Transport des porteurs : Courants de diffusion, de conduction

3. Modélisation de la jonction PN

• Jonction PN non polarisée
• Jonction PN polarisée

4.  Modélisation du transistor à effet de champ (JFET)

• Description Phénoménologique du fonctionnement
• Caractéristiques du JFET
• Transistor JFET en Commutation
• Portes classiques

   5. Bases physiques de la programmation quantique

• Propriétés du qubit : superposition, décohérence, intrication
• Formalisation mathématique des qubits - Sphère de Bloch
• Les différentes familles de qubit physique
• Développement de l'ordinateur quantique
• Portes quantiques et programmation.

Description des TP

TP réalisés en semestre 2

Connaissances requises

A remplir

RSE (Responsabilité Sociale et Environnementale)

• Thèmes:

  Ordinateurs quantiques et consommation énergétique.

• Nombre d'heures:

Bibliographie

Ouvrages

• H. Mathieu et H. Fanet, Physique des semi-conducteurs et des composants électroniques - 2009 Edition Dunod
• C. Kittel, Physique de l’état solide - 2019 Edition Dunod
• C. Cohen-Tannoudji, B. Diu, F. Laloë, Mécanique quantique Tome I, II et III, CNRS Edition EDP Sciences