Depuis une dizaine d'annees, le calcul quantique est un domaine de recherche tres actif. Surtout depuis le fameux algorithme de factorisation de nombres en temps polynomial par un ordinateur quantique (shor 95) la recherche dans cette discipline a declenche. Mon travail porte sur deux aspects du calcul quantique lies a l'algorithmique et a la cryptographie quantiques. Algorithmique : nous initions l'etude de la generalisation des marches aleatoires sur les graphes finis au monde quantique. La methode des chaines de markov, basee sur l'echantillonnage rapide d'une distribution probabilistique a permis de resoudre efficacement une grande classe de problemes en informatique classique. En quantique, de telles marches aleatoires ne convergent pas a priori vers une distribution stationnaire. Neanmoins en relaxant les definitions de facon appropriee, nous obtenons des mesures de vitesse pour lesquelles la marche quantique se disperse. Nous etablissons des definitions (comme temps de melange) donnant un sens theorique aux chaines de markov quantiques. Nous demontrons que sur le modele du cercle, les mesures de vitesse de convergence sont quadratiquement plus rapides que dans le cas classique. Nous etablissons des bornes inferieures de l'acceleration quantique sur les graphes generaux. Cryptographie : nous etudions l'enchevetrement quantique sous trois aspects : - nous analysons la possibilite de convertir des etats quantiques enchevetres par des moyens locaux ou encore par l'utilisation d'information stockee cachee : nous montrons que des etats localement iso spectraux ne peuvent pas etre convertis entre eux localement. Ceci donne lieu a un nouveau protocole du secret-sharing. - nous etablissons un nouveau critere pour determiner si un etat quantique donne est enchevetre (base sur la theorie de majoration probabiliste). - nous etudions le comportement d'un modele physique pour le clonage quantique et demontrons son optimalite.
Depuis une dizaine d'annees, le calcul quantique est un domaine de recherche tres actif. Surtout depuis le fameux algorithme de factorisation de nombres en temps polynomial par un ordinateur quantique (shor 95) la recherche dans cette discipline a declenche. Mon travail porte sur deux aspects du calcul quantique lies a l'algorithmique et a la cryptographie quantiques. Algorithmique : nous initions l'etude de la generalisation des marches aleatoires sur les graphes finis au monde quantique. La methode des chaines de markov, basee sur l'echantillonnage rapide d'une distribution probabilistique a permis de resoudre efficacement une grande classe de problemes en informatique classique. En quantique, de telles marches aleatoires ne convergent pas a priori vers une distribution stationnaire. Neanmoins en relaxant les definitions de facon appropriee, nous obtenons des mesures de vitesse pour lesquelles la marche quantique se disperse. Nous etablissons des definitions (comme temps de melange) donnant un sens theorique aux chaines de markov quantiques. Nous demontrons que sur le modele du cercle, les mesures de vitesse de convergence sont quadratiquement plus rapides que dans le cas classique. Nous etablissons des bornes inferieures de l'acceleration quantique sur les graphes generaux. Cryptographie : nous etudions l'enchevetrement quantique sous trois aspects : - nous analysons la possibilite de convertir des etats quantiques enchevetres par des moyens locaux ou encore par l'utilisation d'information stockee cachee : nous montrons que des etats localement iso spectraux ne peuvent pas etre convertis entre eux localement. Ceci donne lieu a un nouveau protocole du secret-sharing. - nous etablissons un nouveau critere pour determiner si un etat quantique donne est enchevetre (base sur la theorie de majoration probabiliste). - nous etudions le comportement d'un modele physique pour le clonage quantique et demontrons son optimalite.
Contextualité quantique, géométries finies & informatique quantique Le développement de machines quantiques de tailles modestes accessibles en ligne permet aujourd'hui de réaliser des expériences sur des calculateurs à distance. L'avantage de l'informatique quantique repose sur des phénomènes strictement non classiques, tels que la superposition et l'intrication, qui sont des ressources maintenant bien connues. Le phénomène non-classique de la contextualité est peut-être moins bien établi bien qu'il ouvre aussi des perspectives très intéressntes à travers de nombreuses applications telles que la cryptographie quantique, les codes d'accès aléatoires, les codes correcteurs d'erreurs et l'avantage du coût de la mémoire pour la simulation des mesures quantiques. L'objectif de cette thèse est triple : développer de nouveaux tests résistants au bruit pour démontrer la contextualité avec des ordinateurs quantiques bruités d'échelle intermédiaire ; concevoir des algorithmes quantiques pour calculer les limites classiques de ces tests, avec une meilleure complexité par rapport aux algorithmes existants ; interpreter les invariants algébriques, utilisés pour distinguer les classes d'intrication, en termes d'observables à base d'opérateurs de Pauli. À ces fins, l'utilisation de configurations géométriques telles que les espaces polaires symplectiques et leurs sous-géométries est largement exploitée, permettant d'établir un lien solide entre le domaine, relativement ancien des géométries finies, et les concepts plus récents de la théorie de l'information quantique. Pour le premier objectif, nous utilisons l'apport de la géométrie pour fournir des tests de contextualité qui violent largement les limites classiques sur tous les ordinateurs quantiques IBM. Ces tests démontrent empiriquement l'absence de modèles à variables cachées non contextuelles décrivant le système sous-jacent. C'est un résultat d'intérêt ontologique. Plus précisément, il s'agit de la première violation connue du jeu de pseudotélépathie de Mermin sur de telles machines, et des plus grandes violations du test de Rio Negro. Concernant le deuxième objectif, nous nous appuyons sur les symétries de nos géométries pour construire un algorithme quantique basé sur l'algorithme de recherche de Grover. Cet algorithme identifie une affectation optimale de variables cachées classiques avec une complexité comparable à l'algorithme de Grover. Un tel avantage algorithmique est intéressant dans une grande famille de problèmes, connus sous le nom de Max Lin 2, où plusieurs contraintes sur un ensemble de données ne peuvent pas être satisfaites simultanément. Ainsi, l'étude de la contextualité - qui peut être vue comme une limitation de la satisfaction logique pour décrire les systèmes physiques - peut apporter de nouvelles perspectives à des problèmes où la satisfaction d'instruction logique simultanée n'est pas viable. Enfin, pour le troisième objectif, nous proposons de nombreuses connexions entre les géométries finies et les invariants algébriques, en commençant par des liens entre les quadrangles généralisés et les invariants cubiques de Cartan, puis en montrant comment les géométries maximalement mixtes permettent de reconstruire les polynômes de Mermin, et finalement en décrivant les sous-ensembles minimaux d'opérateurs de Pauli qui permettent de calculer les hyperdéterminants. On peut ainsi, grâce à ces invariants, identifier la classe d'intrication de systèmes de qubits N=2,3,4 par des mesures sans avoir besoin d'une tomographie complète du système. En résumé dans cette thèse, nous abordons une grande variété de questions à l'intersection de la géométrie finie et de l'informatique quantique - de la conception de tests de contextualité à l'étude de la non-localité à travers des invariants algébriques en passant par le calcul quantique de bornes classiques. Les idées proposées dans ce travail pourront être utiles à la fois pour l'étude des fondements de la mécanique quantique et pour son application à l'informatique quantique.
Structures cachées et cryptanalyse quantique Nous étudions la sécurité de systèmes cryptographiques face à un adversaire muni d'un ordinateur quantique. En algorithmique quantique, nous avons étudié les problèmes de période et de décalage cachés, qui sont les seuls connus à ce jour ayant des applications en cryptographie et pour lesquels le meilleur algorithme quantique connu est plus que polynomialement plus rapide que le meilleur algorithme classique. Nous avons proposé des améliorations, de nouveaux compromis entre temps et mémoire classiques et quantiques, et étendu leur champ d'applications à des cas où seul un oracle classique est accessible. En cryptanalyse, en cryptographie symétrique, nous avons proposé des attaques de constructions symétriques utilisant des décalages cachés, et généralisé moult attaques exploitant des périodes cachées aux cas où l'accès à la construction est classique. Nous avons proposé une cryptanalyse quantique des différentes versions du chiffrement authentifié AEZ ainsi que des versions quantiques de multiples slide attacks, qui sont une famille classique d'attaques. Cette reformulation d'attaques dans le formalisme des périodes cachées nous ont permis de proposer de nouvelles attaques classiques sur différentes variantes du chiffrement MiMC. En cryptographie asymétrique, nous avons proposé une étude concrète et asymptotique de la sécurité quantique de schémas d'échange de clé à base d'isogénies. Enfin, nous avons étudié la sécurité dans des cadres où ces problèmes de structures cachées ne s'appliquent pas, avec la première analyse de sécurité quantique d'AES, le chiffrement symétrique le plus utilisé à l'heure actuelle.
Algorithmes quantiques pour la méthode de Monte Carlo La méthode de Monte Carlo est un paradigme central de l'algorithmique basée sur l'analyse statistique et sur les techniques d'échantillonnage aléatoire appliquées aux problèmes ayant une interprétation probabiliste. Cette thèse explore les avantages qu'offrirait un ordinateur quantique pour augmenter l'efficacité de cette méthode. Nous étudions dans un premier temps le problème d'estimation de valeurs moyennes par des techniques à temps de calcul minimal. Nous développons de nouveaux algorithmes quantiques pour estimer l'espérance d'une variable aléatoire réelle produite en sortie d'un processus quantique. Les estimateurs que nous construisons procurent une accélération quadratique par rapport au nombre d'échantillons classiques nécessaires pour obtenir une borne d'erreur sous-gaussienne ou une (epsilon,delta)-approximation. Nous décrivons également un cadre théorique fournissant une notion de «temps d'arrêt» pour un processus quantique générant une variable aléatoire. Nous démontrons que le problème d'estimation de la moyenne peut être résolu plus efficacement lorsque le temps d'arrêt moyen du processus sous-jacent est court. Ces résultats sont appliqués au développement d'un algorithme de requête quantique quasi-optimal pour approximer le nombre de triangles dans un graphe. Dans un second temps, nous étudions le problème d'échantillonnage préférentiel et ses applications en optimisation stochastique. Nous construisons un algorithme quantique pour échantillonner plusieurs éléments d'une distribution finie spécifiée par un vecteur de probabilité. Notre approche résout le problème plus général consistant à préparer plusieurs copies d'un état quantique dont les amplitudes sont accessibles via un oracle. L'utilité de ce résultat est illustrée à travers le développement de deux algorithmes hybrides quantiques-classiques basés sur la méthode des poids multiplicatifs et sur l'algorithme du gradient stochastique. Ces deux applications concernent la prédiction en ligne avec conseil d'experts, et la minimisation des fonctions sous-modulaires. La dernière partie de cette thèse est consacrée à l'étude des algorithmes quantiques à mémoire limitée. Nous étudions tout d'abord le problème d'approximation des moments de fréquence dans le modèle de flots de données à passes multiples. Nous construisons un algorithme quantique qui nécessite une quantité de mémoire moindre que les meilleurs algorithmes de streaming classiques possible. Notre méthode repose sur les estimateurs quantiques de moyenne susmentionnés et sur des techniques de simulation de calcul reversible. Nous explorons ensuite certaines limites des algorithmes à mémoire restreinte dans le modèle de requête quantique. Nous développons une nouvelle approche pour obtenir des bornes inférieures temps-mémoire, basée sur une technique récente d'enregistrement des requêtes quantiques. Ce résultat est appliqué au problème de la recherche de paires de collisions dans une fonction aléatoire. Nous démontrons que la complexité en requête quantique de cette tâche augmente lorsque la quantité de mémoire disponible diminue.
Le développement de machines quantiques de tailles modestes accessibles en ligne permet aujourd'hui de réaliser des expériences sur des calculateurs à distance. L'avantage de l'informatique quantique repose sur des phénomènes strictement non classiques, tels que la superposition et l'intrication, qui sont des ressources maintenant bien connues. Le phénomène non-classique de la contextualité est peut-être moins bien établi bien qu'il ouvre aussi des perspectives très intéressntes à travers de nombreuses applications telles que la cryptographie quantique, les codes d'accès aléatoires, les codes correcteurs d'erreurs et l'avantage du coût de la mémoire pour la simulation des mesures quantiques. L'objectif de cette thèse est triple : développer de nouveaux tests résistants au bruit pour démontrer la contextualité avec des ordinateurs quantiques bruités d'échelle intermédiaire ; concevoir des algorithmes quantiques pour calculer les limites classiques de ces tests, avec une meilleure complexité par rapport aux algorithmes existants ; interpreter les invariants algébriques, utilisés pour distinguer les classes d'intrication, en termes d'observables à base d'opérateurs de Pauli. À ces fins, l'utilisation de configurations géométriques telles que les espaces polaires symplectiques et leurs sous-géométries est largement exploitée, permettant d'établir un lien solide entre le domaine, relativement ancien des géométries finies, et les concepts plus récents de la théorie de l'information quantique. Pour le premier objectif, nous utilisons l'apport de la géométrie pour fournir des tests de contextualité qui violent largement les limites classiques sur tous les ordinateurs quantiques IBM. Ces tests démontrent empiriquement l'absence de modèles à variables cachées non contextuelles décrivant le système sous-jacent. C'est un résultat d'intérêt ontologique. Plus précisément, il s'agit de la première violation connue du jeu de pseudotélépathie de Mermin sur de telles machines, et des plus grandes violations du test de Rio Negro. Concernant le deuxième objectif, nous nous appuyons sur les symétries de nos géométries pour construire un algorithme quantique basé sur l'algorithme de recherche de Grover. Cet algorithme identifie une affectation optimale de variables cachées classiques avec une complexité comparable à l'algorithme de Grover. Un tel avantage algorithmique est intéressant dans une grande famille de problèmes, connus sous le nom de Max Lin 2, où plusieurs contraintes sur un ensemble de données ne peuvent pas être satisfaites simultanément. Ainsi, l'étude de la contextualité - qui peut être vue comme une limitation de la satisfaction logique pour décrire les systèmes physiques - peut apporter de nouvelles perspectives à des problèmes où la satisfaction d'instruction logique simultanée n'est pas viable. Enfin, pour le troisième objectif, nous proposons de nombreuses connexions entre les géométries finies et les invariants algébriques, en commençant par des liens entre les quadrangles généralisés et les invariants cubiques de Cartan, puis en montrant comment les géométries maximalement mixtes permettent de reconstruire les polynômes de Mermin, et finalement en décrivant les sous-ensembles minimaux d'opérateurs de Pauli qui permettent de calculer les hyperdéterminants. On peut ainsi, grâce à ces invariants, identifier la classe d'intrication de systèmes de qubits N=2,3,4 par des mesures sans avoir besoin d'une tomographie complète du système. En résumé dans cette thèse, nous abordons une grande variété de questions à l'intersection de la géométrie finie et de l'informatique quantique - de la conception de tests de contextualité à l'étude de la non-localité à travers des invariants algébriques en passant par le calcul quantique de bornes classiques. Les idées proposées dans ce travail pourront être utiles à la fois pour l'étude des fondements de la mécanique quantique et pour son application à l'informatique quantique.
Cryptanalyse classique et quantique pour les réseaux euclidiens et le problème de la somme de sous-ensembles La cryptographie post-quantique est une branche de la cryptographie qui vise à concevoir des systèmes cryptographiques non quantiques (c'est-à-dire classiques), qui sont protégés contre un adversaire possédant un ordinateur quantique. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur l'étude de deux problèmes fondamentaux pour la cryptographie post-quantique : le problème du plus court vecteur (SVP) et le problème de la somme de sous-ensembles aléatoires. Le SVP demande de trouver le plus court vecteur non nul d'un réseaux euclidien donné. Il sert de jauge pour quantifier la sécurité de la cryptographie reposant sur les réseaux euclidiens, qui est considérée comme prometteuse pour l'ère post-quantique. Les principales approches pour résoudre le SVP sont les algorithmes de tamisage, qui utilisent un temps et un espace exponentiels, et les algorithmes d'énumération, qui utilisent un temps superexponentiel et un espace polynomial. Dans cette thèse, nous donnons tout d'abord un compromis temps-mémoire prouvable qui interpole approximativement entre les garanties de ressources des algorithmes de tamisage et celles des algorithmes d'énumération. Nous montrons ensuite l'algorithme quantique prouvable le plus rapide connu qui résout le SVP en temps 2^(0.9535n) et en mémoire classique 2^(0.5n+o(n)) avec seulement un nombre poly(n) de qubits. Nous montrons également le meilleur algorithme prouvable classique connu dont la complexité en mémoire est de 2^(0.5n+o(n)). Quant aux algorithmes d'énumération, on pensait auparavant qu'ils pouvaient bénéficier d'une accélération quadratique quantique grâce à l'algorithme de Grover. Nous montrons que cette accélération quadratique peut effectivement être obtenue pour l'algorithme d'énumération de base et ses variantes d'élagage cylindrique et discret, mais avec des algorithmes quantiques plus sophistiqués tels que la marche quantique sur les arbres. Notre accélération quantique s'applique également à l'élagage extrême où l'on répète le processus d'énumération sur plusieurs bases réduites. Le problème de la somme de sous-ensembles aléatoires sous-tend également certains schémas cryptographiques visant à la sécurité post-quantique, bien qu'il soit principalement de nature académique. Dans un contexte de cryptanalyse, il sert souvent d'outil car de nombreux problèmes sur lesquels se fonde la cryptographie moderne peuvent être exprimés comme des variantes (vectorielles) du problème de la somme de sous-ensembles. Plus récemment, il a également été démontré qu'il peut être utilisé comme élément de base dans certains algorithmes de décalage caché quantique, qui ont des applications dans la cryptanalyse quantique de schémas symétriques et de schémas reposant sur les isogénies. Dans cette thèse, nous présentons de nouveaux algorithmes classiques et quantiques pour la résolution du problème de la somme de sous-ensembles aléatoires. Nous obtenons d'abord l'algorithme classique le plus rapide connu en temps Õ(2^0.283n)). Ensuite, nous améliorons l'état de l'art des algorithmes quantiques pour ce problème dans plusieurs directions. Nous concevons un algorithme avec un temps asymptotique Õ(2^0.236n), avec l'avantage d'utiliser une mémoire classique avec accès aléatoire quantique. Les algorithmes connus précédemment utilisaient des marches quantique, et nécessitaient une mémoire quantique avec accès aléatoire quantique.Nous proposons également des marches quantiques plus rapides pour ce problème en temps Õ(2^0.216n). Ce temps dépend d'une heuristique concernant le temps de mise à jour dans les marches quantiques. Les algorithmes précédents pour ce problème dépendaient eux aussi de cette heuristique. Nous montrons comment surmonter partiellement cette heuristique, et nous obtenons un algorithme quantique de temps Õ(2^0.218n) ne nécessitant que les heuristiques standard du problème de la somme de sous-ensembles aléatoires.
Le calcul quantique est nouveau paradigme qui sera peut-être en capacité de résoudre certains problèmes intéressants et très spécifiques plus vite qu'un ordinateur classique. Mais pour atteindre le régime dans lequel les ordinateurs quantiques seront plus efficaces que leurs équivalents classiques, plusieurs étapes cruciales doivent être atteintes. Les taux d'erreur des puces quantiques actuelles doivent être drastiquement améliorés, tout comme leur nombre de qubits, les algorithmes doivent évoluer pour prendre en compte le taux d'erreur élevé des puces, les compilateurs et implémentations doivent être adaptés à la puce quantique qui sera utilisée pour l'exécution et les façons d'analyser des états ou programmes quantiques nécessitent des améliorations.Dans cette thèse, nous nous concentrons sur certaines de ces étapes et améliorons l'état de l'art en essayant de se rapprocher le plus possible du régime où les ordinateurs quantiques auront un avantage sur les ordinateurs classiques. Nous commençons par montrer comment nous avons implémenté un algorithme quantique non trivial et analysé son comportement ainsi que les ressources nécessaires à son exécution.Cette analyse a confirmé que les puces quantiques actuelles étaient incapables d'exécuter ce genre d'implémentation, même après avoir pris en compte les subtilités dues au matériel et optimisé grandement le programme. Cet effort d'optimisation a donné lieu à l'implémentation de l'outil qprof, un profileur de programme quantique capable d'analyser des implémentations et de générer un rapport textuel et lisible résumant la hiérarchie des appels et leur coût approximatif.Nous présentons aussi un algorithme classique pour résoudre le problème du routage de qubit, une des étapes les plus coûteuse en terme de porte quantique additionnelle dans les compilateurs de programme quantiques. Cet algorithme permet de prendre en compte les calibrations les plus récentes de la puce quantique visée afin d'adapter le programme quantique compilé aux différents taux d'erreurs de la puce. Nous décrivons comment l'algorithme fonctionne et montrons qu'il apporte une amélioration substantielle de la fidélité de l'état quantique créé par le programme compilé par rapport à l'état de l'art.Nous avons aussi implémenté un algorithme variationnel permettant de résoudre des systèmes linéaires et analysé son comportement sur des puces quantiques actuelles ainsi que les besoins en ressources quantiques afin d'exécuter cet algorithme avec différents systèmes linéaires. Finalement, nous avons effectué une étude sur les erreurs présentes sur des qubits isolés et introduit une nouvelle visualisation permettant de mettre en avant des erreurs systématiques et non mitigées par les calibrations automatiques réalisées à intervalles réguliers sur les puces quantiques.