Fonctionnement et programmation d'un (vrai !) ordinateur quantique

Occurrences : 

2020

Nombre d'étudiants minimum: 

4

Nombre d'étudiants maximum: 

9

Nombre d'instances : 

1

Contexte

Envisagé dans les années 70, notamment par Richard Feynman, l’émergence d’ordinateurs quantiques est un des défis scientifiques et technologiques majeurs du XXIe siècle.

Basés sur la logique quantique, et manipulant non pas des bits (0 ou 1) mais des bits quantiques (qui peuvent exister dans des états de superposition de 0 et de 1) pour effectuer des calculs, on sait désormais que des problèmes algorithmiques importants, pour lesquels les ordinateurs classiques sont inefficaces peuvent être abordés plus efficacement grâce aux calculateurs quantiques, avec un gain qui peut être parfois exponentiel. Les applications se trouvent notamment dans le domaine de la cryptographie (factorisation de nombres entiers, Shor - 1994), de l’apprentissage machine (résolution de système d’équations linéaires, Harrow, Hassidim, Lloyd - 2008), ou encore de la simulation de systèmes quantiques.

La construction d’ordinateurs quantiques et la mise au point de logiciel pour les ordinateurs quantiques sont désormais des défis scientifiques et technologiques mobilisant un effort considérable en R&D publique, et privée, avec notamment l’implication récente de Google, Microsoft, IBM, etc…

En mai 2016, IBM a ouvert un accès à distance à son ordinateur quantique à 5 qubits (cf images), puis d’un autre à 16 qubits en 2017, tous deux basés sur des circuits électroniques supraconducteurs.

 

Objectif du projet

Ce projet a pour objectif d’apprendre les principes de bases du calcul quantique puis de les mettre en œuvre en programmant l’ordinateur quantique d’IBM.

Sur le plan méthodologique, le projet consistera à mettre en pratique les principes de bases du calcul quantique en programmant de petits algorithmes simples sous forme de circuits quantiques (à l’aide de l’interface développée par IBM), puis en les exécutant (à distance) sur un véritable ordinateur quantique à 5 qubits. On cherchera en particulier à étudier l’influence des erreurs dans un calcul quantique, et le rôle des codes correcteurs d’erreur quantiques

Les étapes du projet pourront être les suivantes :

  1. apprentissage des bases du calcul quantique en circuit, et compréhension des erreurs possibles qui peuvent intervenir. Test des erreurs sur le circuit quantique d’IBM

  2. apprentissage, étude et mise en œuvre « expérimentale » d’algorithmes quantiques et de codes correcteurs d’erreurs élémentaires sur un vrai ordinateur quantique.

  3. apprentissage et étude expérimentale de la génération d’aléa à l’aide d’un ordinateur quantique, lien avec les expériences récentes de démonstration d’un d’avantage quantique computationnel par Google (quantum supremacy, Arute et al. Quantum supremacy using a programmable superconducting processor. Nature. Vol. 574, October 24, 2019, p. 505.).