Rapport d'audit de sécurité industrielle et d'admissibilité thermodynamique Projet : OECQ (Optimisation Énergétique des Circuits Quantiques) — Phase 2 Référentiel de certification : ISO-LPU-2027
Ce manuscrit présente une mise en forme académique d’un rapport d’audit consacré à la robustesse théorique, à la sûreté de fonctionnement et à l’admissibilité thermodynamique du noyau C SCCI-2026 dans le cadre du projet OECQ. L’analyse mobilise une fonctionnelle effective de rentabilité du QPU, une décomposition de l’énergie libre de Helmholtz, une inégalité de production entropique généralisée ainsi qu’une section de preuve formelle fondée sur Frama-C/WP. Une matrice de résilience synthétise enfin les scénarios de défaut considérés et leur traitement formel.
Ce manuscrit présente une mise en forme académique d’un rapport d’audit consacré à la robustesse théorique, à la sûreté de fonctionnement et à l’admissibilité thermodynamique du noyau C SCCI-2026 dans le cadre du projet OECQ. L’analyse mobilise une fonctionnelle effective de rentabilité du QPU, une décomposition de l’énergie libre de Helmholtz, une inégalité de production entropique généralisée ainsi qu’une section de preuve formelle fondée sur Frama-C/WP. Une matrice de résilience synthétise enfin les scénarios de défaut considérés et leur traitement formel.
Nous présentons un manuscrit décrivant l’évolution du cadre thermodynamique infor-mationnel appliqué à la Phase 2 du projet OECQ, en ciblant le passage à l’échelle de 100 qubits et de modes photoniques. Face à l’émergence d’un bruit de champ moyen et à une explosion combinatoire de la diaphonie, nous introduisons un formalisme de partitionnement modulaire algorithmique supervisé par l’architecture OECQ-V2. En intégrant une métrique de couplage conforme et une fonctionnelle de complexité compressée étendue, nous modélisons la transition de phase thermodynamique séparant le régimede calcul actif de l’état d’abstention totale. Lors de ce basculement, l’extraction théorique d’une chaleur latente quantique d’abstention, notée Sabst, permet de figer l’entropie de von Neumann et de stabiliser thermiquement les puces. Les simulations pré-industrielles appliquées au cas d’usage QUBO d’EDF montrent qu’en introduisant un facteur de modularité topologique M, le système maintient un score global de réalisabilité RQ supérieur à 2,0, avec une réduction annoncée de la dissipation sur les plateformes photoniques et cat qubits. Ce manuscrit établit ainsi les bases physiques et logicielles d’une informatique quantique industrielle à haute efficience énergétique
Cet article présente un cadre normatif et conceptuel pour la conception de circuits quantiques industriels à l’horizon 2029. Le modèle SCCI-2026 introduit une contrainte d’invariance entropique destinée à limiter les défaillances liées à la dissipation thermique et aux divergences d’états dans les systèmes de correction d’erreurs quantiques. L’architecture OECQ-V1 formalise ensuite des mécanismes de barrière de potentiel, de screening topologique et d’étalonnage cryogénique visant à renforcer la stabilité computationnelle des processeurs quantiques. Enfin, des recommandations normatives concrètes sont proposées à destination des constructeurs, notamment en matière d’interverrouillage matériel, de calibration d’impédance et de sécurité micro-code.
La mécanique quantique offre un avantage indéniable sur la mécanique classique pour la réalisation de diverses tâches cryptographiques. Cependant, elle ouvre également la voie à des attaques complexes qui compliquent l’analyse des protocoles cryptographiques. Ainsi, les cryptographes sont constamment à la recherche de nouveaux outils qui permettent de simplifier les preuves. Dans cette thèse, nous introduisons de nouvelles techniques qui permettent de simplifier l’analyse de protocoles cryptographiques quantiques et nous en démontrons l’utilité par quelques exemples d’applications. Nos techniques permettent de montrer que, sous certaines conditions, la sûreté d’un protocole cryptographique contre une attaque qui respecte plus ou moins le protocole (passive) est une condition suffisante pour montrer la sûreté contre une attaque qui peut dévier du protocole (active). Nous montrons d’abord que la sécurité d’un protocole quantique contre les adversaires sans mémoire quantique implique sa sécurité contre les adversaires disposant d’une certaine quantité de mémoire. Cette technique trouve son utilité dans le fait que les attaques ayant accès à une mémoire quantique sont généralement bien plus difficiles à analyser que celles sans mémoire. Nous introduisons ensuite la certification d’états mixtes : étant donné un registre quantique composé de n qubits, nous montrons qu’il est possible de s’assurer que ce registre est près de n copies d’une même matrice de densité φ. Cet outil offre un cadre général pour analyser une situation commune en cryptographie quantique où une source non fiable fournit un état quantique et on veut s’assurer que l’état fourni par cette source est le bon. Ces résultats ont permis de contribuer aux connaissances en cryptographie quantique par les avancées suivantes. D’abord, nous résolvons deux problèmes ouverts, l’un concernant la puissance cryptographique de la primitive cut-and-choose à un bit, et l’autre concernant la sûreté du protocole de mise en gage BCJL. Dans les deux cas, notre relation entre les adversaires quantiques et les adversaires sans mémoire joue un rôle central. Par la suite, nous introduisons une nouvelle tâche cryptographique où deux participants veulent générer une chaine de bits commune quasi uniformément distribuée, et ce même si l’un des participants est malhonnête. Nous présentons un protocole quantique qui surpasse tout protocole classique pour cette tâche.
Cette these s'est elaboree dans cette periode de l'histoire de la cryptographie quantique ou plusieurs protocoles avaient ete proposes sans que leur fiabilite n'ait pu etre encore demontree, du moins pas face a toute attaque. De plus, certaines des attaques qui avaient ete mises de cote etaient en fait accessibles a l'aide de la technologie actuelle.
D'un autre cote, le but de la cryptographie quantique a toujours ete la conception de protocoles inconditionnellement fiables, cest-a-dire, fiables face a toute attaque permise par les lois de la physique sans consideration pour aucune contrainte dans le temps ou dans l'espace. Tel etait le niveau de fiabilite espere des protocoles quantiques proposes. Seule la cryptographie quantique pouvait meme oser offrir un tel niveau de securite.
Une certaine application appelee la mise en gage jouait un role primordial dans l'ensemble des applications proposees par les cryptographes quantiques et une preuve de securite inconditionnelle avait ete proposee par Brassard, Crepeau, Jozsa et Langlois pour un protocole realisant cette tache. Notre objectif de depart etait de demontrer que les protocoles de la cryptographie quantique permettent effectivement de realiser avec une securite inconditionnelle la plupart des applications proposees, pas seulement la mise en gage. Cependant, a notre grande surprise et a l'etonnement de plusieurs, nous avons au contraire demontre qu'un protocole quantique de mise en gage inconditionnelle fiable est impossible et ainsi avons remis serieusement en question une partie importante des applications de la cryptographie quantique, en plus d'avoir demoli la preuve mentionnee plus haut. Par contre, en nous appuyant sur les travaux de Bennett, Brassard, Crepeau, Salvail et plus recemment de Yao, nous avons obtenu une preuve de la securite inconditionnelle d'un protocole quantique de distribution de cle.
Un des principes importants que nous avons utilises dans notre these est celui qui dit que tous les phenomenes peuvent etre decrits comme l'execution d'une mesure quantique. De plus, nous avons utilise le fait que cette mesure peut elle-meme etre decrite comme une transformation unitaire sur le systeme qui est compose du systeme mesure, de l'appareil de mesure et du systeme final si celui-ci est different du systeme initial.
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.
Les circuits supraconducteurs quantiques sont à la base des qubits supraconducteurs en informatique quantique et d'une grande quantité d'autres technologies quantiques. La performance de ces circuits est principalement limitée par les pertes diélectriques causées par la présence de défauts aux interfaces des matériaux. La nécessité d'une haute résistance au champ magnétique pour certaines applications implique l'utilisation de supraconducteurs désordonnés contenant plus de défauts. L'objectif de ce projet est l'amélioration des performances des circuits supraconducteurs quantiques utilisant des matériaux désordonnés. Pour ce faire, des résonateurs micro-ondes lambda/4 supraconducteurs en guide d'ondes coplanaire (CPW) sont conçus et fabriqués en nitrure de niobium (NbN). Leur performance est quantifiée par la mesure de leur facteur de qualité interne (Q_i) à température cryogénique dans un réfrigérateur à dilution. L'impact de la géométrie sur le facteur de qualité est étudié en variant la recette de gravure, la profondeur de surgravure ainsi que les dimensions du CPW. Ces résultats sont comparés à des simulations électrostatiques par éléments finis utilisant COMSOL Multiphysics. La résistance au champ magnétique est évaluée par des mesures cryogéniques sous champ magnétique parallèle. Le NbN utilisé pour la fabrication des résonateurs possède un champ critique supérieur B_(c2, perp) ~ 66 T. Les résonateurs conçus et mesurés dans le cadre de cette étude ont montré un facteur de qualité interne maximal de 6x10^5 dans le régime du photon unique. Il a été conclu qu'une gravure isotrope et une grande surgravure augmentent le facteur de qualité interne. L'élargissement des dimensions du CPW contribue également à l'augmentation du Q_i. Les mesures de résonateurs sous champ magnétique parallèle ont montré une diminution du facteur de qualité interne, qui demeure supérieur à 1x10^4 à 1 T.