Compilation de circuits et atténuation des erreurs pour l'informatique quantique à court terme

Circuit compilation and error mitigation for near-term quantum computing

• Auteur / Autrice : Siyuan Niu
• Direction : Aida Todri-Sanial
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Systèmes automatiques et micro-électroniques
• Date : Soutenance le 25/10/2022
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'informatique, de robotique et de micro-électronique (Montpellier ; 1992-....)
• Jury : Président / Présidente : Isabelle Robert-Philip
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Éric Bourreau, Gilles Burel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Robert Wille, Carmen Garcia almudever

Mots clés

Mots clés contrôlés

Squids

Informatique quantique

Méthodes ab initio (chimie quantique)

Mots clés libres

Calcul quantique

Circuits quantiques

Circuits quantiques

Dispositifs quantiques

Quantum computing

Quantum circuits

Quantum algorithms

Quantum devices

Résumé

L'informatique quantique promet de résoudre des problèmes classiquement insolvables. Il a connu une croissance rapide ces dernières années et plusieurs plateformes quantiques basées sur différentes technologies ont été proposées, soit par le milieu universitaire, soit par l'industrie. Des algorithmes quantiques ont également été développés pour surpasser en théorie leurs homologues classiques. Malgré les progrès, le matériel quantique d'aujourd'hui est toujours sensible au bruit et difficile à contrôler, ce qui empêche la démonstration de l'avantage quantique sur les ordinateurs quantiques développés à court terme. Il existe un écart entre les ressources nécessaires aux algorithmes quantiques et les implémentations matérielles bruitées. Cette thèse vise à contribuer à combler cet écart à l'aide de la co-conception matériel-logiciel, en se concentrant sur la compilation de circuits et l'atténuation des erreurs. En particulier, cette thèse étudie (1) Le problème de cartographie des qubits pour compiler un circuit sur le matériel quantique développé à court terme, en tenant compte de la contrainte matérielle. (2) Le mécanisme de programmation multiple pour améliorer l'utilisation du matériel quantique développé à court terme. (3) La comparaison multi-plateforme pour évaluer la technique de multi-programmation sur différentes plateformes quantiques. (4) Le découplage dynamique pour réduire les erreurs de décohérence et le phénomène de crosstalk. La thèse est conclue en discutant des futures directions de recherche pour permettre des applications quantiques sur du matériel quantique développé à court terme.

Quantum computing promises to address classically intractable problems. It has been rapidly growing in recent years, and several quantum platforms based on different technologies have been proposed, either from academia or industry. Quantum algorithms have also been developed to outperform their classical counterparts in theory. Despite the progress, today's quantum hardware is still sensitive to noise and difficult to control, which prevents the demonstration of quantum advantage on near-term quantum computers. There is a gap between the resources needed for quantum algorithms and the noisy hardware implementations. This dissertation aims at contributing to closing this gap with the help of hardware-software co-design, focusing on circuit compilation and error mitigation. In particular, this dissertation investigates (1) qubit mapping problem to compile a circuit on the near-term quantum hardware considering the hardware constraint. (2) multi-programming mechanism to improve the near-term quantum hardware utilization. (3) cross-platform benchmarking to evaluate the multi-programming technique on different quantum platforms. (4) dynamical decoupling to reduce the decoherence error and crosstalk. The dissertation is concluded by discussing the future research directions to enable quantum applications on near-term quantum hardware.