Sur les technologies quantiques pour le traitement de l'information et du signal, trois problématiques interconnectées sont abordées ici : (i) Nous examinons un problème de traitement du signal quantique-un problème de détection-en présence de bruit quantique ou de décohérence, avec ses formulation et analyse théoriques. (ii) Nous réalisons les mise en oeuvre et étude expérimentales de la tâche de détection, sur un processeur quantique accessible publiquement sur Internet, en illustrant aussi les possibilités génériques de tels processeurs. (iii) Nous montrons expérimentalement pour la première fois une possibilité de résonance stochastique ou d'amélioration par le bruit ou la décohérence, dans la tâche de détection quantique, comme cela a été prévu théoriquement il y a peu.
Sur les technologies quantiques pour le traitement de l'information et du signal, trois problématiques interconnectées sont abordées ici : (i) Nous examinons un problème de traitement du signal quantique-un problème de détection-en présence de bruit quantique ou de décohérence, avec ses formulation et analyse théoriques. (ii) Nous réalisons les mise en oeuvre et étude expérimentales de la tâche de détection, sur un processeur quantique accessible publiquement sur Internet, en illustrant aussi les possibilités génériques de tels processeurs. (iii) Nous montrons expérimentalement pour la première fois une possibilité de résonance stochastique ou d'amélioration par le bruit ou la décohérence, dans la tâche de détection quantique, comme cela a été prévu théoriquement il y a peu.
Nous examinons ici des problématiques standards du traitement du signal, comme la détection de signaux dans le bruit, l'estimation paramétrique à partir de signaux bruités, la transmission d'information sur un canal bruité, mais dans un cadre quantique. Nous suivons plus spécialement un fil conducteur spécifique, déjà bien développé en classique, et constitué par les effets de bruit utile ou phénomène de résonance stochastique – des situations de traitement du signal ou de l'information en présence de bruit, où la performance ne se dégrade pas de façon monotone lorsque le niveau du bruit augmente, mais au contraire où l'augmentation du bruit peut se révéler bénéfique au traitement. En présence de signaux et bruits quantiques, nous mettons ainsi en évidence la possibilité de tels effets de résonance stochastique, dans des tâches de détection, d'estimation ou de transmission de signal. Dans ces études de traitement du signal quantique, nous rencontrons également une propriété spécifiquement quantique constituée par l'intrication. Nous approfondissons aussi l'apport de l'intrication, avec des bénéfices purement quantiques inaccessibles en classique, obtenus pour les tâches de traitement du signal en présence de bruit que nous étudions. Nous considérons aussi des signaux à deux dimensions pouvant s'apparenter à du traitement numérique d'images en quantique. Les études de traitement du signal quantique développées ici sont principalement théoriques et numériques. En complément, nous présentons des mises en œuvre expérimentales que nous avons pu réaliser grâce à un processeur quantique rendu accessible en ligne par la compagnie IBM (processeur IBM Q 14 Melbourne à 14 qubits).
Nous examinons ici des problématiques standards du traitement du signal, comme la détection de signaux dans le bruit, l'estimation paramétrique à partir de signaux bruités, la transmission d'information sur un canal bruité, mais dans un cadre quantique. Nous suivons plus spécialement un fil conducteur spécifique, déjà bien développé en classique, et constitué par les effets de bruit utile ou phénomène de résonance stochastique – des situations de traitement du signal ou de l'information en présence de bruit, où la performance ne se dégrade pas de façon monotone lorsque le niveau du bruit augmente, mais au contraire où l'augmentation du bruit peut se révéler bénéfique au traitement. En présence de signaux et bruits quantiques, nous mettons ainsi en évidence la possibilité de tels effets de résonance stochastique, dans des tâches de détection, d'estimation ou de transmission de signal. Dans ces études de traitement du signal quantique, nous rencontrons également une propriété spécifiquement quantique constituée par l'intrication. Nous approfondissons aussi l'apport de l'intrication, avec des bénéfices purement quantiques inaccessibles en classique, obtenus pour les tâches de traitement du signal en présence de bruit que nous étudions. Nous considérons aussi des signaux à deux dimensions pouvant s'apparenter à du traitement numérique d'images en quantique. Les études de traitement du signal quantique développées ici sont principalement théoriques et numériques. En complément, nous présentons des mises en œuvre expérimentales que nous avons pu réaliser grâce à un processeur quantique rendu accessible en ligne par la compagnie IBM (processeur IBM Q 14 Melbourne à 14 qubits).
Nous traitons une tâche d'identification de système par estimation paramétrique à partir d'un signal de mesure bruité -- une problématique standard de l'automatique -- qui est ici toutefois traitée dans le domaine quantique. Nous présentons, de façon pédagogique, la formulation théorique, avec les notions de signal quantique, de système quantique, de bruit quantique et de mesure quantique. Nous réalisons également une démonstration expérimentale sur un processeur quantique accessible librement sur Internet.
Dans le domaine des signaux-systèmes il est possible d'associer ou commuter deux systèmes de traitement (1) et (2), au moyen d'un signal binaire de contrôle, afin de sélectionner parmi deux architectures de traitement, par exemple deux ordonnancements causaux (1)-(2) ou (2)-(1) s'appliquant au signal à traiter. En quantique, une faculté nouvelle réside dans la possibilité de placer le signal de contrôle dans une superposition quantique. On peut réaliser ainsi une superposition de systèmes à la fois dans l'ordre causal (1)-(2) et (2)-(1) pour l'interaction avec le signal à traiter. Ceci donne accès à des associations de systèmes de traitement spécifiquement quantiques, dotées de propriétés nouvelles, inaccessibles aux systèmes isolés ou associés classiquement. Nous présentons ici cette possibilité nouvelle pour le traitement du signal quantique et l'illustrons sur une tâche d'estimation paramétrique à partir d'un signal bruité, en montrant notamment des bénéfices spécifiques comme la capacité d'extraire de l'information avec un signal sonde d'entrée complètement dépolarisé.
Bruit et capacité d'apprentissage en apprentissage automatique quantique Cette thèse est consacrée à l'exploration de l'interface entre l'informatique quantique et l'apprentissage automatique, en mettant l'accent sur les effets du bruit et de la décohérence. Dans la première partie, nous étudions l'utilisation de systèmes quantiques ouverts pour la réalisation de tâches classiques de reconnaissance des formes. En particulier, nous nous intéressons à l'impact du bruit sur les machines à noyau quantique dans une configuration de calcul à réservoir. Les modèles que nous considérons sont basés sur l'utilisation d'un système quantique de grande taille et non contrôlé, un réservoir, qui est excité par un signal d'entrée à traiter. Des mesures sont ensuite effectuées sur le système et une combinaison linéaire des résultats est optimisée afin de réaliser la tâche souhaitée. Dans le cadre théorique associé aux méthodes à noyau, nous analysons l'effet de la dissipation sur l'expressivité de ces modèles. Nous montrons que le bruit affectant le réservoir peut agir comme une régularisation implicite qui aide à prévenir l'ajustement excessif. Ces résultats sont accompagnés d'une étude numérique d'un ensemble de machines à noyaux bruitées basées sur des chaînes de spins quantiques sujets à de la décohérence, et dont l'évolution markovienne est décrite par une équation maîtresse de type Lindblad. Dans la deuxième partie de la thèse, nous nous concentrons sur les algorithmes quantiques variationnels. Nous y présentons un schéma de simulation classique efficace pour estimer des quantités moyennées à la sortie d'un circuit quantique paramétré dont les paramètres de rotation sont choisis aléatoirement. Nous étudions d'abord les canaux quantiques associés aux moyennes de rotations aléatoires d'un et de deux qubits autour d'un axe Z. Sous certaines hypothèses, nous montrons que ces canaux peuvent être décomposés en sommes convexes de canaux associés à des transformations unitaires de Clifford. Ce résultat peut être interprété comme un effet de décohérence artificiel induit par le choix aléatoire des angles de rotation. Il nous permet construire un schéma de simulation efficace basé sur le célèbre théorème de Gottesman-Knill. Cette méthode permet notamment d'estimer efficacement l'amplitude moyenne du gradient de la fonction de coût par des simulations classiques avec une complexité polynomiale en le nombre de qubits. Elle peut donc être utilisée pour explorer des stratégies de conception de circuits variationnels quantiques permettant d'éviter les difficultés d'entrainement due à une disparition du gradient.
Cette thèse s’inscrit dans le cadre de l’information quantique avec des variables continues, en utilisant des états quantiques du champ électromagnétique. En combinant les outils propres aux variables discrètes, o`u la lumière est décrite en termes de photons, avec les outils des variables continues, où la lumière est décrite en termes de quadratures, nous pouvons étudier théoriquement et produire expérimentalement des états non-classiques, ainsi que des protocoles élémentaires d’information quantique. Ainsi, nous avons produit expérimentalement un état «chat de Schrödinger», superposition quantique de deux états lumineux quasi-classiques, sur lequel nous avons appliqué une porte quantique introduisant une phase dans la superposition. Nous avons ensuite analysé la qualité de cette porte en utilisant un modèle simple de notre expérience. Nous nous sommes ensuite intéressés aux corrélations quantiques, mesurées par la discorde quantique, pour une classe d’états particulièrement importants en information quantique. Nous avons quantifié la précision de nos mesures en les comparant aux bornes de Cramér-Rao classique et quantique. Enfin, nous avons étudié théoriquement l’utilisation d’un amplificateur quantique non-déterministe en cryptographie quantique. Cet amplificateur possède la propriété de pouvoir amplifier des états quantiques sans en amplifier le bruit quantique associé. Ainsi, nous avons montré qu’il permet une amélioration de la distance maximale de transmission d’une clé secrète, ainsi qu’une amélioration de la résistance au bruit introduit par le canal quantique.