Informatique quantique, algorithmes et complexité

Quantum computing, algorithms and complexity

• Auteur / Autrice : Mehdi Mhalla
• Direction : Philippe Jorrand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique. Systèmes et communications
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : Grenoble INPG

Résumé

Nous présentons dans ce travail plusieurs résultats dans différents domaines de l'information quantique. Après une première partie où nous proposons une introduction au domaine, nous proposons des caractérisations simples et efficaces du phénomène de l'intrication des états purs. Les deux formes de séparabilité étudiées sont la séparabilité totale et la p-q séparabilité. Ces caractérisations nous ont permis de donner des algorithmes optimaux de détection de la séparabilité ayant un gain quadratrique par rapport aux méthodes connues. La troisième partie s'intéresse aux jeux quantiques. Nous présentons tout d'abord une analyse fine des jeux octaux classiques et donnons une stratégie optimale pour le jeu des dominos. Nous proposons ensuite une quantisation de certains jeux combinatoires, définissant ainsi la famille des jeux octaux quantiques. Nous présentons ainsi un modèle formel permettant de parler des jeux quantiques à information totale et proposons une approche qui utilise des pièges pour des jeux quantiques très étudiés, appelés jeux de dés à distance. La dernière partie étudie des problèmes d'optimisation, en développant pour cela des outils optimaux de recherche de minima. Ces outils nous ont permis d'analyser la complexité en requêtes de certains problèmes de graphes. Nous avons ainsi trouvé des algorithmes quantiques pour les problèmes de connectivité, forte connectivité, arbre couvrant de poids minimal et plus courts chemins à une source donnée. Puis, nous avons prouvé leur optimalité en utilisant des techniques de bornes inférieures, déterminant ainsi les limites du facteur de gain qu'offre l'informatique quantique pour résoudre ce problème.

This work consists in several results in different domains of quantum computing. First, we propose an introduction to the quantum computing theory. Then we give efficient characterizations of entanglement for pure states. We define the full separability and the p-q separability, and give optimal algorithms that improve by a quadratic factor the detection of entanglement. The third part is dedicated to quantum game theory. We analyse some classical combinatorial games, and find an optimal strategy for the 0. 07 octal game. Then we propose a quantisation of the family of octal games, and of some other combinatorial games, defining by the way a formalism that permits to study such games. We also provide some new ideas for the study of the well know coin flip game. In the last part, we study optimisation problems, and give an optimal minima finding algorithm based on the quantum search. Then we apply this tool to design algorithms for some graph problems (connectivity, strong connectivity, minimum spanning tree and single source shortest paths. We prove the optimality of our algorithms by using the quantum adversary lower bound method, giving therefore a characherisation of the speed-up given by quantum computing for these problems.