Le Centre national de la recherche scientifique est un organisme public de recherche pluridisciplinaire placé sous la tutelle du ministère de l’Enseignement supérieure et de la Recherche. Créé en 1939 et dirigé par des scientifiques, il a pour mission de faire progresser la connaissance et être utile à la société dans le respect des règles d’éthique, de déontologie et d’intégrité scientifique.

Sujet de thèse :
La simulation quantique des molécules représente l’une des applications les plus prometteuses des ordinateurs quantiques. Les méthodes classiques de chimie quantique ab initio se heurtent à des limites fondamentales, notamment l’explosion exponentielle de la taille de l’espace de Hilbert avec le nombre d’électrons et l’approximation de Born-Oppenheimer, qui découple artificiellement les mouvements électroniques et nucléaires. Cette dernière néglige ainsi les effets non-adiabatiques, tels que les transitions électroniques induites par le mouvement des noyaux, particulièrement important dans les dynamiques ultra-rapides.
Les ordinateurs quantiques offrent une alternative en encodant directement la fonction d’onde électronique et nucléaire dans des qubits ou qudits, ce qui permet d’envisager la simulation de systèmes aujourd’hui intraitables classiquement. Cependant, la plupart des algorithmes actuels, comme le VQE ou le QPE, se concentrent sur l’état fondamental électronique en considérant les noyaux comme figés. Le défi majeur reste donc de simuler la dynamique quantique complète d’une molécule en traitant électrons et noyaux sur un pied d’égalité, sans découplage arbitraire.

Cette thèse vise à développer un formalisme unifié pour la dynamique quantique moléculaire sur ordinateur quantique, en intégrant explicitement les degrés de liberté électroniques et nucléaires. L'objectif est d'adapter des algorithmes quantiques existants pour la dynamique temporelle, de la dynamique électron-noyaux ou de la dynamique moléculaire non-adiabatique. Cela inclut la trotterisation de l’opérateur d’évolution temporelle, le développement d’algorithmes variationnels comme le Time-Dependent Variational Quantum Eigensolver (TD-VQE), ou encore l’utilisation de méthodes hybrides quantique-classique pour la propagation temporelle. Une attention particulière sera portée à la réduction de la complexité via des bases adaptatives ou des approximations contrôlées pour les termes non-adiabatiques.
L’implémentation et la validation des algorithmes seront menées sur des simulateurs quantiques classiques comme Qiskit ou MyQLM, ainsi que sur du matériel quantique réel en tenant compte des contraintes NISQ. Les cas tests incluront des molécules diatomiques simples comme H₂⁺ ou H₂ pour valider la méthode, et des dynamiques ultra-rapides comme la photo-dissociation ou le transfert de proton.
Enfin, une analyse des limites et de la scalabilité sera menée, en évaluant notamment le coût en qubits et en portes pour des molécules réalistes comme H₂O, N₂, ou la formaldimine, ainsi que la robustesse aux erreurs et aux bruits.
Contexte :
Le Département Chimie Physique Théorique & Modélisation concentre des compétences méthodologiques et applicatives variées en chimie quantique, dynamique quantique non-adiabatique et dynamique moléculaire classique et ab initio. Son cœur de métier est d’exploiter/améliorer les modèles fond
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Contraintes et risques :
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