Algorithmes hybrides (classiques-quantiques) pour le calcul de fonctions de Green en physique nucléaire // Hybrid (classical-quantum) algorithms for Green's functions in nuclear physics

Le calcul haute performance est aujourd’hui au cœur des activités de recherche. En particulier, la recherche fondamentale en physique nucléaire théorique repose sur des codes numériques performants pour réaliser des calculs ab initio des noyaux atomiques. Ces calculs permettent d’établir des prédictions systématiques, tant pour les études fondamentales des systèmes nucléaires que pour le soutien aux activités expérimentales. Des progrès considérables ont été réalisés ces dernières années sur cette thématique, ce qui a amené l’équipe du CEA à réaliser, en 2026, le calcul ab initio du noyau lourd U-238, une première dans ce domaine.

Malgré ces avancées, les calculs ab initio de structure nucléaire et, en particulier, les calculs de réactions impliquant des noyaux lourds demeurent extrêmement difficiles. Dans ce contexte, l’informatique quantique émerge comme un nouveau paradigme de calcul susceptible de bouleverser les approches actuelles et de contribuer à lever certains des verrous numériques existants. Dans cette perspective à long terme, l’équipe du CEA a lancé, il y a quelques années, une activité de recherche consacrée aux algorithmes quantiques appliqués au problème nucléaire à plusieurs corps.

Dans le prolongement de ces travaux, ce projet de thèse vise à développer des algorithmes quantiques permettant de calculer des fonctions de Green à plusieurs corps. Les fonctions de Green constituent une quantité centrale de la théorie des systèmes à N-corps : elles capturent les corrélations entre les constituants du système et permettent d’accéder aisément aux observables. De plus, ces objets sont pertinents non seulement pour l’étude des propriétés statiques des noyaux, mais ils se prêtent naturellement à la description de processus dynamiques, tels que les réactions nucléaires. Ces dernières propriétés les rendent particulièrement intéressantes pour l’informatique quantique, dans laquelle l’évolution dynamique d’un système quantique peut être encodée de manière naturelle.

Le projet portera sur des protocoles de calcul hybrides, combinant des opérations quantiques et classiques. Les algorithmes seront implémentés et testés sur des émulateurs quantiques et, dans la mesure du possible, sur des plateformes quantiques digitales. Les résultats de ce projet contribueront à définir les stratégies de calcul qui seront mises en œuvre à l’avenir en théorie nucléaire ab initio.
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High-performance computing is nowadays at the heart of research activities. In particular, fundamental research in theoretical nuclear physics relies on efficient numerical codes to carry out ab initio calculations of atomic nuclei. These calculations make it possible to establish systematic predictions, both for fundamental studies of nuclear systems and to support experimental activities. Considerable progress has been made in this field in recent years, leading the CEA team to perform, in 2026, the first ab initio calculation of the heavy nucleus uranium-238.

Despite these advances, ab initio calculations of nuclear structure and, in particular, calculations of reactions involving heavy nuclei remain extremely challenging. In this context, quantum computing is emerging as a new computational paradigm with the potential to transform current approaches and help overcome some of the existing computational bottlenecks. With this long-term perspective in mind, the CEA team launched a research activity several years ago dedicated to quantum algorithms applied to the nuclear many-body problem.

Building on this work, the aim of this PhD project is to develop quantum algorithms for calculating many-body Green’s functions. Green’s functions are a central quantity in many-body theory: they capture correlations between the constituents of a system and provide easy access to observable quantities. Furthermore, these functions are relevant not only to the study of the static properties of atomic nuclei, but are also naturally suited to describing dynamical processes, such as nuclear reactions. These latter properties make them particularly promising for quantum computing, where the dynamical evolution of a quantum system can be encoded naturally.

The project will focus on hybrid computational protocols that combine quantum and classical operations. The algorithms will be implemented and tested on quantum emulators and, where possible, on digital quantum computing platforms. The results of this project will help shape the computational strategies to be implemented in future ab initio nuclear theory research.
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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 Nucléaire
Laboratoire : Laboratoire études du noyau atomique (LENA)
Date de début souhaitée : 01-10-2027
Ecole doctorale : PHENIICS (PHENIICS)
Directeur de thèse : SOMA Vittorio
Organisme : CEA
Laboratoire : DRF/IRFU/DPhN/LENA

Financement public/privé

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