Réécriture et Calcul quantique

Transcription

1 , Nancy IGM, Université de Marne-la-Vallée LIX, Ecole Polytechnique

2 Le problème La solution

3 Si ψ et φ sont deux états possibles d un sytème, alors αψ + βφ l est aussi (avec α 2 + β 2 = 1). Analogie avec le parallèlisme.

4 L état d un système physique clos est entièrement décrit par un vecteur de nombres complexes de norme un. Autrement dit c est un vecteur v C n vérifiant: v = v 1. v n et v v = v 1 v v n v n = 1. OK pour l informatique quantique de ne considérer que les nombres réels.

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6 Un système physique clos dans un état v, évolue, après une certaine période de temps, en un état w selon l équation w = Uv où U est une matrice unitaire n n, i.e. U U = Id. Notons que les transformations unitaires préservent le produit scalaire et donc la norme. (Rotations complexes). Electronique réversible plus quelques portes telles...

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8 Lorsqu un système physique ayant pour état v = est mesuré, on obtient le résultat i avec probabilité p i = v i 2. (...) v 1. v n

9 Si le résultat i advient, alors le système se trouve désormais dans l état: 0. w = 1 i th position. 0 Notons que la condition de normalization équivaut à i p i = S agit-il donc de simples probabilités? Le détour par les amplitudes était-il bien utile? cf. Deutsch Josza et cryptographie quantique, pour laquelle il faut les complexes.

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11 Soit un système physique A d état v C n. Soit un système physique B d état w C m. L état du sytème composé AB est un élément de C n C m. Notons que C n C m est un espace vectoriel de dimension mn. Il faut faire des calculs sur 2 N nombres pour simuler un système quantique de N qubits. Pour simuler un système quantique, il faut un sytème quantique (Feynman). La seule chose à savoir sur c est qu il est bilinéaire: λ.v w = v λ.w = λ.(v w) (v 1 + v 2 ) w = v 1 w + v 2 w v (w 1 + w 2 ) = v w 1 + v w 2.

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13 Le problème La solution Le problème Nous est donné une boîte noire F : Bool Bool. On souhaite calculer le ou exclusif (dénoté ) de F(Vrai) et F(False). Au bout de sa première utilisation la boîte noire s autodétruira! (ou disons juste que son utilisation est coûteuse en temps, argent... )... Clairement, c est mission impossible?

14 Le problème La solution La solution On suppose F implémentée par une boîte quantique: a b U f a (F(a) b) où a et b sont des valeurs booléennes. Autrement dit F est appliquée à la première valeur booléenne, mais le résultat est enregistré dans la seconde via un. Nécessaire pour avoir l unitarité.

15 Le problème La solution Uf Faux Vrai

16 Le problème La solution Uf 1 2 (Faux + Vrai) 1 2 (Faux Vrai) = 1 (Faux (Faux Vrai) + Vrai (Faux Vrai)) 2

17 Le problème La solution Uf 1 ( ) ( 1) F(Faux) Faux (Faux Vrai) + ( 1) F(Vrai) Vrai (Faux Vrai) 2 = 1 2 (( 1) F(Faux) Faux + ( 1) F(Vrai) Vrai) 1 2 (Faux Vrai) = ± 1 2 (Faux + ( 1) F(Faux) F(Vrai) Vrai)...

18 Le problème La solution Uf ±(F(Faux) F(Vrai))...

19 Des algorithmes plus utiles: Shor, Grover. Une théorie centenaire et vérifiée expérimentalement. Diverses pistes de réalisations physiques: ions, photons, quantum dots...

20 Les critères de DiVicenzo sont en concurrence: isolation du sytème, possibilité de le préparer dans un état initial, de le faire évoluer arbitrairement, de le mesurer. Plus le système est grand, plus c est difficile, mais passé un certain seuil les codes de correction quantique d erreur prennent le relais. Deutsch-Josza a été implémenté, on a factorisé 15, des systèmes de cryptographie quantique sont commercialisés.

21 Le modèle des circuits quantiques. Universalité au sens des circuits: pas de structures de contrôle. Opaque. La machine de Turing quantique. Véritable universalité. Très opaque: δ : Q Σ (Q Σ {Left, Right} C)....plus une contrainte d unitarité.

22 Il manque l informatique quantique un modèle de calcul qui soit: Universel au sens de la machine de Turing Utilisable pour la programmation, proche de ses spécifications Pas une simple juxtaposition de controle classique et de circuits quantiques

23 Les boucles WILE, branches IF etc. semblent fondamentalement classiques. L approche fonctionnelle semble prometteuse: Structure de contrôle plus compatible avec la quantique Proximité avec la spécification et la logique Possibilité d une sémantique opérationnelle en système de réécriture Nous aurions donc: ( Id)U f ( Faux Vrai)...la suite cet après-midi.