Durée
30h Th
Nombre de crédits
| Master en sciences physiques, à finalité | 4 crédits | |||
| Master en sciences physiques (Inscriptions closes) | 4 crédits |
Enseignant
Langue(s) de l'unité d'enseignement
Langue anglaise
Organisation et évaluation
Enseignement au premier quadrimestre, examen en janvier
Horaire
Unités d'enseignement prérequises et corequises
Les unités prérequises ou corequises sont présentées au sein de chaque programme
Contenus de l'unité d'enseignement
L'information quantique et le calcul quantique, qui consistent à explorer comment la physique quantique peut être utilisée pour stocker, transformer, échanger et protéger de l'information, une ressource cruciale dans notre société moderne, sont devenus des sujets de recherche multidisciplinaires de premier plan. Ces dernières décennies, il a été en effet montré que la physique quantique pourrait offrir des avantages spectaculaires dans les sciences de l'information et de l'informatique qui pourraient avoir un impact considérable en cybersécurité, finance, chimie, ou médecine, au point qu'aujourd'hui un nombre de plus en plus croissant d'entreprises s'intéressent à ce sujet.
Ce cours est une introduction accessible à l'information et au calcul quantiques. Il couvre les sujets suivants :
- Introduction : Information et calcul classiques VS quantiques : L'introduction couvre i) des rappels théoriques concernant les principaux concepts en information et en informatique classiques (bit classique, porte logique, ...) et ii) un résumé des concepts de physique quantique requis pour aborder l'information et le calcul quantiques (bit quantique, porte quantique, mesure quantique, intrication, ...). Les différences entre information classique et quantique sont mises en relief, et des notions importantes concernant le cas quantique sont introduites (théorème de non-clonage, parallélisme quantique, ...).
- Circuits et algorithmes quantiques : Ce chapitre élabore sur les notions de complexité algorithmique (problème P vs NP) et de circuit quantique. Le but est ensuite de présenter les principaux algorithmes quantiques (Shor, Grover, ...) et comment ils sont capables de résoudre des problèmes spécifiques plus efficacement que n'importe quel algorithme classique.
- Correction d'erreur quantique : Ce chapitre présente la notion de décohérence, et comment les erreurs introduites par ce phénomène peuvent être corrigées grâce à l'utilisation de différents protocoles.
- Hardwares et softwares quantiques : Ce chapitre présente les différentes plateformes physiques existantes utilisées pour réaliser des ordinateurs quantiques (ions piégés, qubits supraconducteurs, atomes froids, photons, points quantiques, ...). Il compare leurs avantages et leurs inconvénients. L'état de l'art actuel dans ce contexte est mis en relief.
- Cryptographie quantique : Ce chapitre discute comment les propriétés de la mécanique quantique peuvent être exploitées pour échanger de l'information de manière sécurisée. Il présente dans ce contexte quelques concepts et protocoles de base (codage dense, téléportation, ...).
- Sujets d'actualité : Ce chapitre discute de sujets d'actualité brûlants, voire exotiques (ex : ordinateurs quantiques et cryptomonnaies).
- Séminaires (en ligne) : Pour compléter les cours ex-cathedra, des invités externes du secteur privé de l'information et du calcul quantiques seront invités à venir présenter dans le cadre de séminaires en ligne en quoi consiste leur travail, leur parcours professionnel, et leur point de vue sur le développement des technologies quantiques.
Acquis d'apprentissage (objectifs d'apprentissage) de l'unité d'enseignement
Les objectifs du cours sont les suivants:
- Permettre aux étudiants de distinguer clairement les différences entre information et calcul classiques et quantiques
- Familiariser les étudiants aux éléments de base et aux résultats principaux de l'information et du calcul quantiques
- Apprendre aux étudiants à utiliser à distance des ordinateurs quantiques réels disponibles en ligne (IBM Quantum Experience)
- Sensibiliser les étudiants aux défis et aux opportunités dans le domaine, tant sur le plan expérimental que théorique
- Donner aux étudiants l'opportunité de rencontrer et de discuter avec des professionnels du domaine
Savoirs et compétences prérequis
Ce cours est destiné aux physiciens (mais aussi ingénieurs, mathématiciens, et informaticiens) désirant apprendre les éléments de base de l'information et du calcul quantiques, par simple curiosité ou comme base dans le but de travailler dans ce secteur dans le futur.
Un cours de physique quantique de base est fortement recommandé (PHYS3033-1 or PHYS0211-3).
Activités d'apprentissage prévues et méthodes d'enseignement
Le cours oral se composera de 15 modules de 2 heures, incluant
- les séminaires en ligne avec des professionels du secteur
- une ou deux séances pratiques concernant l'utilisation d'ordinateurs quantiques disponibles en ligne
Mode d'enseignement (présentiel, à distance, hybride)
Combinaison d'activités d'apprentissage en présentiel et en distanciel
Lectures recommandées ou obligatoires et notes de cours
Les slides du cours seront disponibles en ligne.
Références et lectures recommandées:
- D. Mermin, Quantum Computer Science; An introduction (Cambridge University Press, 2007).
- M.A. Nielsen and I. L. Chuang, Quantum Computation and Quantum Information (Cambridge University Press, 2000).
- J. Preskill. Lecture notes for the course "Physics 219/Computer Science 219" at Caltech. URL: http://www.theory.caltech.edu/~preskill/ph219/index.html#lecture
- The IBM Quantum Experience, URL: https://quantum-computing.ibm.com/
Modalités d'évaluation et critères
Examen(s) en session
Toutes sessions confondues
- En présentiel
évaluation orale
Explications complémentaires:
L'évaluation consistera en un examen oral.
Avant l'examen, les étudiants recevront une liste de questions à préparer.
Le jour de l'examen, les étudiants piocheront aléatoirement une des questions de la liste - qui contribuera à la majorité de la cote finale - et se verront poser quelques questions supplémentaires.
Stage(s)
Remarques organisationnelles et modifications principales apportées au cours
Contacts
François Damanet
Département de Physique, I.P.N.A.S., Bât. B15
Allée du six Août, 10
B-4000 Sart Tilman
Email: fdamanet@uliege.be