Physique du quark top comme étalon pour l’information quantique // Top-quark physics as a benchmark for quantum computing

La physique du quark top au LHC offre deux laboratoires naturels complémentaires pour tester l'informatique quantique. Le premier est relié à l'information quantique dans les paires de quarks top: le quark top se désintégrant avant de s’hadroniser, une paire tt¯ se comporte comme un système à deux qubits dont la matrice de densité de spin peut être mesurée. Il s'agit d'un problème nativement quantique, dont le résultat de référence est connu. La thèse consistera à l’établissement d’une chaîne complète de tomographie sur les données du Run 3 d'ATLAS à 13,6 TeV, en recourant à des circuits quantiques, à des méthodes d'optimisation et à une gerbe de partons quantique pour valider et étudier les mesures. Le second aspect est relié à la production de quatre quarks top, un signal rare aux bruits de fond difficiles, avec de petits échantillons d'entraînement et un état final à nombreux jets de nature combinatoire. Le projet testera l'optimisation quantique (affectation jet-parton fondée sur QUBO) et des classifieurs quantiques pour la discrimination du signal, en les comparant aux meilleures méthodes classiques, afin de déterminer dans quels cas les approches quantiques apportent un réel gain en précision, en efficacité vis-à-vis des données ou en passage à l'échelle.

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Top-quark physics at the LHC offers two complementary test beds for quantum computing. The first is quantum information in top-quark pairs: since the top quark decays before hadronisation, a tt¯ pair behaves as a two-qubit system whose spin density matrix can be measured. This is a quantum-native problem with a known ground truth. The thesis will consist of establishing a full tomography pipeline with the ATLAS Run 3 data at 13.6 TeV, using quantum circuits, optimisation methods and a quantum parton shower to validate and study the measurements. The second aspect is linked to four-top production, a rare signal with challenging backgrounds, small training samples and a combinatorial many-jet final state. The project will test quantum optimisation (QUBO-based jet-to-parton assignment) and quantum classifiers for signal discrimination against the best classical methods, to find out where quantum approaches bring a real gain in accuracy, data efficiency or scaling.

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Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’univers
Service : Service de Physique des Particules
Laboratoire : Groupe Atlas (ATLAS)
Date de début souhaitée : 01-10-2027
Ecole doctorale : PHENIICS (PHENIICS)
Directeur de thèse : DELIOT Frédéric
Organisme : CEA
Laboratoire : DRF/IRFU

Public/private mixed funding

Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’univers
Service : Service de Physique des Particules

Master en physique des particules ou en physique, avec de solides compétences en programmation (Python, C++)