Méthodes Formelles pour les Langages de Programmation Quantiques

par Dongho Lee

Projet de thèse en Mathématiques et Informatique

Sous la direction de Frédéric Boulanger, Benoit Valiron et de Valentin Perrelle.

Thèses en préparation à l'Université Paris-Saclay (ComUE) , dans le cadre de École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Orsay, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec LRI - Laboratoire de Recherche en Informatique (laboratoire) , MODHEL - Modélisation Hétérogène (equipe de recherche) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 31-10-2018 .


  • Résumé

    L'informatique quantique possède un potentiel disruptif qui pourrait se révéler dans les années à venir. De nombreux domaines d'applications, allant de la chimie au Big Data, pourraient bénéficier des techniques quantiques pour résoudre leurs problèmes fondamentaux à des tailles inaccessibles par des moyens conventionnels. Si les machines quantiques suffisamment puissantes ne sont pas encore disponibles, certains acteurs comme IBM et Google sont en compétition pour produire des architectures à plus de 50 qubits vers la fin de l'année prochaine : c'est la taille à laquelle la technologie quantique fait une différence -- ce qu'on appelle la suprématie quantique. Plusieurs langages de programmation quantique de haut niveau ont été conçus pour réduire la distance entre les algorithmes quantiques et les machines quantiques. Cependant, la programmation quantique reste délicate et les programmes quantiques sont difficiles à écrire correctement. D'une part, les ressources nécessaires pour les exécuter sont souvent rédhibitoires. L'avènement de la programmation quantique ouvre la porte à l'optimisation des programmes quantiques. D'autre part, la détection et la correction d'erreurs est plus difficile dans les programmes quantiques : ce sont des algorithmes probabilistes et il est impossible d'interroger la mémoire sans interférer. L'objectif de ce sujet de thèse est d'attaquer ces questions et de proposer des solutions à ces problèmes.

  • Titre traduit

    Formal Methods for Quantum Programming Languages


  • Résumé

    Quantum computation is a potential disruptive technology in the years to come. Many fields ranging from chemistry to big data would benefit from quantum techniques to solve some of their core problematic for problem sizes not accessible using conventional means. If scalable quantum hardware is not yet available, actors such as IBM and Google are competing for chips with more than 50 qubits by the end of next year: this is the size of memory where quantum technology makes a difference -- the so-called quantum supremacy. In order to code quantum algorithms, several quantum programming languages have recently been developed. With these new tools, quantum algorithms have gone from theoretical tools for the study of complexity classes to actual implementations that one can analyze. Several questions arise from the concrete implementation of quantum algorithms. 1) The resources needed to run them on interesting sizes of inputs is usually prohibitive. This has to do with the fact that quantum algorithms were not coded with implementation in mind. The advent of quantum programming languages opens the door to optimization of quantum programs. 2) Quantum algorithms are difficult, if not impossible, to debug. They are probabilistic algorithms, and the quantum memory cannot be observed during execution without interfering with the behavior of the program. This calls for the development of formal methods geared towards quantum programming languages: formal tools to develop and reason upon code optimization, to analyze resources, to specify and prove properties of quantum programs otherwise not accessible. The goal of this PhD is to attack and propose solutions to these problems. The candidates will rely on the CEA expertise on formal methods and on the LRI expertise in quantum programming languages. He will be part of the ANR project SoftQPro.