Langages de programmation caractérisant l'efficacité quantique L'informatique quantique est un paradigme émergent de calcul, dans lequel des phénomènes physiques quantiques tels que l'intrication et la superposition sont exploités pour obtenir un avantage sur le calcul classique. Bien que le programmeur quantique dispose d'un large choix de langages de programmation, aucun ne permet de garantir la faisabilité de ses programmes. À cette fin, nous introduisons un langage de programmation quantique du premier ordre (FOQ) qui permet de raisonner sur la réalisabilité physique et la complexité des programmes quantiques. Nous introduisons des restrictions, vérifiables statiquement, sur les programmes FOQ qui nous permettent d'identifier des fragments sûrs et complets pour le temps polynomial quantique (PFOQ) et le temps polylogarithmique (LFOQ). Nous fournissons plusieurs exemples de programmes en temps polynomial et polylogarithmique capturés par ces fragments, représentant des fonctions quantiques pertinentes, telles que la transformée de Fourier quantique, l'arithmétique quantique, ainsi que des exemples comme la recherche dichotomique. Nous introduisons également de nouvelles techniques de compilation permettant de traduire des programmes PFOQ et LFOQ en circuits de complexité raisonnable, évitant l'explosion exponentielle pouvant résulter de l'utilisation récursive d'une instruction de contrôle quantique. Nous améliorons encore cette technique de compilation et définissons un fragment de FOQ qui est cohérent et complet pour le temps polynomial quantique, où la complexité en circuit de l'instruction conditionnelle quantique correspond au maximum des branches, et non leur somme. Nous développons un compilateur prototype implémentant ces idées pour les langages PFOQ et LFOQ.
Langages de programmation caractérisant l'efficacité quantique L'informatique quantique est un paradigme émergent de calcul, dans lequel des phénomènes physiques quantiques tels que l'intrication et la superposition sont exploités pour obtenir un avantage sur le calcul classique. Bien que le programmeur quantique dispose d'un large choix de langages de programmation, aucun ne permet de garantir la faisabilité de ses programmes. À cette fin, nous introduisons un langage de programmation quantique du premier ordre (FOQ) qui permet de raisonner sur la réalisabilité physique et la complexité des programmes quantiques. Nous introduisons des restrictions, vérifiables statiquement, sur les programmes FOQ qui nous permettent d'identifier des fragments sûrs et complets pour le temps polynomial quantique (PFOQ) et le temps polylogarithmique (LFOQ). Nous fournissons plusieurs exemples de programmes en temps polynomial et polylogarithmique capturés par ces fragments, représentant des fonctions quantiques pertinentes, telles que la transformée de Fourier quantique, l'arithmétique quantique, ainsi que des exemples comme la recherche dichotomique. Nous introduisons également de nouvelles techniques de compilation permettant de traduire des programmes PFOQ et LFOQ en circuits de complexité raisonnable, évitant l'explosion exponentielle pouvant résulter de l'utilisation récursive d'une instruction de contrôle quantique. Nous améliorons encore cette technique de compilation et définissons un fragment de FOQ qui est cohérent et complet pour le temps polynomial quantique, où la complexité en circuit de l'instruction conditionnelle quantique correspond au maximum des branches, et non leur somme. Nous développons un compilateur prototype implémentant ces idées pour les langages PFOQ et LFOQ.
L'informatique quantique est un paradigme émergent de calcul, dans lequel des phénomènes physiques quantiques tels que l'intrication et la superposition sont exploités pour obtenir un avantage sur le calcul classique. Bien que le programmeur quantique dispose d'un large choix de langages de programmation, aucun ne permet de garantir la faisabilité de ses programmes. À cette fin, nous introduisons un langage de programmation quantique du premier ordre (FOQ) qui permet de raisonner sur la réalisabilité physique et la complexité des programmes quantiques. Nous introduisons des restrictions, vérifiables statiquement, sur les programmes FOQ qui nous permettent d'identifier des fragments sûrs et complets pour le temps polynomial quantique (PFOQ) et le temps polylogarithmique (LFOQ). Nous fournissons plusieurs exemples de programmes en temps polynomial et polylogarithmique capturés par ces fragments, représentant des fonctions quantiques pertinentes, telles que la transformée de Fourier quantique, l'arithmétique quantique, ainsi que des exemples comme la recherche dichotomique. Nous introduisons également de nouvelles techniques de compilation permettant de traduire des programmes PFOQ et LFOQ en circuits de complexité raisonnable, évitant l'explosion exponentielle pouvant résulter de l'utilisation récursive d'une instruction de contrôle quantique. Nous améliorons encore cette technique de compilation et définissons un fragment de FOQ qui est cohérent et complet pour le temps polynomial quantique, où la complexité en circuit de l'instruction conditionnelle quantique correspond au maximum des branches, et non leur somme. Nous développons un compilateur prototype implémentant ces idées pour les langages PFOQ et LFOQ.
Méthodes Formelles pour les Langages de Programmation Quantiques Le modèle Qram est un modèle de calcul quantique pratique composé d’un ordinateur classique et un processus quantique qui communiquent entre eux. Le programme est exécuté sur l’ordinateur classique. Il envoie les instructions correspondant aux opérateurs quantiques sur le co-processeur, et reçoit le résultat de l’observation de l’état quantique. Ce modèle est considéré comme un modèle standard et plusieurs langages de programmation ont été conçus en basant sur ce modèle. Alors que les programmes dans ce modèle sont capables de réaliser tout calcul quantique grâce à l’usage de la mémoire quantique, il est difficile de les analyser sans l’aide d’un autre ordinateur quantique. Ce problème suscite le besoin pour des méthodes formelles pour les langages programmations quantiques : les outils formels pour raisonner sur l’optimisation du code, pour l’analyser des ressources, et pour spécifier et prouver les propriétés des programmes quantiques. La sémantique catégorique fait partie de ces méthodes qui fait le lien entre les opérateurs quantiques et les programmes et introduit le système logique qui peut décrire les propriétés sur l’état quantique dans le système de types. Bien que plusieurs travaux proposent des sémantiques catégoriques pour les langages de description de circuits quantiques, aucun ne supporte l’usage du résultat d’une mesure au sein du processeur classique (le ”levage dynamique”). Dans cette thèse, nous formalisons le levage dynamique qui transfère le résultat d’observations sur l’état quantique à l’information classique dans un langage de programmation de description de circuit quantique. En suivant l’approche du langage Proto-Quipper, nous définissons un langage typé de description de circuit quantique où l’information quantique levée est incorporée dans la structure ramifiée. Ensuite, le levage dynamique est formalisé dans le cadre de la sémantique opérationnelle et la sémantique catégorique. Notre sémantique catégorique est basée sur le modèle de Francisco Rios et Peter Selinger pour le langage programmation Proto-Quipper- M. Pourtant, pour formaliser le levage dynamique, nous construisons une catégorie de Kleisli en capturant la mesure quantique comme un effet de bord sur une catégorie concrète pour le circuit avec la mesure quantique. Nous prouvons le théorème de correction de la sémantique catégorique par rapport à la sémantique opérationnelle.
Langages graphiques pour le contrôle quantique et l'optique linéaire Dans le modèle usuel de calcul quantique, des opérations sur des données quantiques sont contrôlées de manière essentiellement classique. Un contrôle lui aussi quantique est cependant possible, mais a été peu étudié en comparaison. En particulier, il manque au contrôle quantique un formalisme permettant de l'exprimer de manière simple afin de raisonner efficacement sur des processus l'impliquant. La première contribution de cette thèse est de poser les fondations d'un cadre formel dédié au contrôle quantique, sous la forme d'un langage graphique. Notre principal résultat concernant ce langage est l'introduction d'une théorie équationnelle complète, c'est à dire d'un ensemble d'équations permettant de transformer un diagramme, par réécriture locale successive, en n'importe quel autre diagramme représentant le même programme ou processus physique. Une deuxième contribution est l'application de ce formalisme d'une part au problème de l'optimisation des ressources dans les processus impliquant un contrôle quantique, et d'autre part à la caractérisation de l'équivalence observationnelle des canaux de communication quantiques. La troisième contribution de cette thèse est l'introduction d'un langage pour les circuits optiques linéaires. Nous l'équipons d'une théorie équationnelle complète, ainsi que d'une forme normale simple, accessible par un système de réécriture fortement normalisant et confluent. La dernière contribution de cette thèse, peut-être la plus importante, est l'introduction d'une théorie équationnelle complète pour le langage des circuits quantiques. Nous nous appuyons pour cela sur une correspondance entre les circuits quantiques et les circuits optiques, qui nous permet de transférer la théorie équationnelle déjà obtenue pour les circuits optiques.
Le modèle Qram est un modèle de calcul quantique pratique composé d’un ordinateur classique et un processus quantique qui communiquent entre eux. Le programme est exécuté sur l’ordinateur classique. Il envoie les instructions correspondant aux opérateurs quantiques sur le co-processeur, et reçoit le résultat de l’observation de l’état quantique. Ce modèle est considéré comme un modèle standard et plusieurs langages de programmation ont été conçus en basant sur ce modèle. Alors que les programmes dans ce modèle sont capables de réaliser tout calcul quantique grâce à l’usage de la mémoire quantique, il est difficile de les analyser sans l’aide d’un autre ordinateur quantique. Ce problème suscite le besoin pour des méthodes formelles pour les langages programmations quantiques : les outils formels pour raisonner sur l’optimisation du code, pour l’analyser des ressources, et pour spécifier et prouver les propriétés des programmes quantiques. La sémantique catégorique fait partie de ces méthodes qui fait le lien entre les opérateurs quantiques et les programmes et introduit le système logique qui peut décrire les propriétés sur l’état quantique dans le système de types. Bien que plusieurs travaux proposent des sémantiques catégoriques pour les langages de description de circuits quantiques, aucun ne supporte l’usage du résultat d’une mesure au sein du processeur classique (le ”levage dynamique”). Dans cette thèse, nous formalisons le levage dynamique qui transfère le résultat d’observations sur l’état quantique à l’information classique dans un langage de programmation de description de circuit quantique. En suivant l’approche du langage Proto-Quipper, nous définissons un langage typé de description de circuit quantique où l’information quantique levée est incorporée dans la structure ramifiée. Ensuite, le levage dynamique est formalisé dans le cadre de la sémantique opérationnelle et la sémantique catégorique. Notre sémantique catégorique est basée sur le modèle de Francisco Rios et Peter Selinger pour le langage programmation Proto-Quipper- M. Pourtant, pour formaliser le levage dynamique, nous construisons une catégorie de Kleisli en capturant la mesure quantique comme un effet de bord sur une catégorie concrète pour le circuit avec la mesure quantique. Nous prouvons le théorème de correction de la sémantique catégorique par rapport à la sémantique opérationnelle.
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.
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.