Communications quantiques

Communications quantiques

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Durée totale du cours: 22.5 H

Semestre : 5 Ingénierie des Services Télécom (IST)

Nombre de crédits : 1

Modules spécialisés	Modules de base	Sciences et techniques de l’ingénierie	Préparation à la carrière professionnelle
		X

Nombre d’heures		Activités hors classe
22.5		18
cours	TD		TP
16.5	6

Sommaire:

Il convient de noter que les communications quantiques sont un domaine de recherche en évolution rapide, et de nombreux défis techniques et pratiques doivent encore être résolus pour leur mise en œuvre généralisée. Cependant, elles offrent un potentiel considérable pour la sécurité des communications et l’amélioration des systèmes de communication à l’avenir. La communication quantique est la transmission de signaux par bit quantique (ou qubit) au lieu de bit. L’utilisation des photons comme qubits ouvre des possibilités concrètes pour le développement de la transmission sécurisée inconditionnée de crypto-clés (distribution quantique de clés, ou QKD).  

Code

GT3116

Communications quantiques

Volume Horaire : 3 h de  Cours intégrés + 00h:00 Travaux pratiques (par semaine)

Objectifs :

Le cours fournit la base des communications quantiques à travers une introduction qui comprend la théorie de l’information axiomatique et la théorie quantique axiomatique. Le cours détaille en outre les protocoles pratiques QKD ainsi que les problèmes technologiques pertinents liés au sujet. L’objectif de Quantum Communications est de donner aux étudiants les connaissances de base des principes de la physique quantique et de leur application à l’information et aux communications quantiques. Le concept fondamental de bit quantique (qubit), ainsi que les principales portes quantiques, qui sont les blocs permettant de manipuler les qubits et d’effectuer des calculs quantiques, seront présentés. La possibilité de distribuer de manière inconditionnellement sécurisée une chaîne de bits (une clé symétrique à utiliser pour la cryptographie) entre deux utilisateurs sera discutée, en analysant certains protocoles Quantum Key Distribution (QKD), à partir de BB84 (le premier protocole QKD) et sa réalisation pratique grâce à des photons uniques codés en polarisation. Une autre application des communications quantiques, la téléportation quantique, sera présentée.

Sujets couverts :

CONCEPTS DE BASE DE LA MECANIQUE QUANTIQUE Fonctions d’onde, opérateur hamiltonien et équation de Schrödinger. Notation de Dirac. Superposition d’états quantiques. Observables et opérateurs hermitiens. Processus quantique de mesure et effondrement de l’état quantique. Observables complémentaires et principe d’incertitude. BITS QUANTIQUES ET COMMUNICATIONS QUANTIQUES  Bits quantiques (qubits). Portes quantiques et opérateurs unitaires. Opérateurs de Pauli. Sphère de Bloch. Mesure des qubits. Bases au maximum impartiales. Porte NON contrôlée. Enchevêtrement. déclare Bell. Théorème de non-clonage. Calcul quantique. Cryptographie quantique et distribution quantique de clés (QKD). Téléportation quantique. EXEMPLES DE SYSTEMES QUANTIQUES Valeurs propres et fonctions propres de l’hamiltonien pour l’oscillateur harmonique quantique. Nombre d’états (ou Fock) pour l’oscillateur harmonique. États cohérents (ou incertitude minimale). Concept de photon comme quantum élémentaire de lumière. Photodétection. Polarisation de la lumière : calcul de Jones, paramètres de Stokes et sphère de Poincaré. Réalisation physique des qubits.

Méthodes d’enseignement et d’apprentissage

• ¨Enseignement frontal (magistral) avec des exemples à résoudre en commun.
• ¨Exercices théoriques et études de cas (présentation et discussion).
• Apprentissage mixte et classe inversée
• MOOC & Classroom

Connaissances et compétences pré-requises

Connaissances de base en algèbre linéaire et en calcul différentiel.

Références bibliographiques

Un support de cours de l’enseignant sera disponible.PAM Dirac , Les principes de la mécanique quantique , Editeur : Oxford University Press, Année edition : 2000

1. Loudon , The Quantum Theory of the Light, Editeur : Oxford University Press, Année edition: 2000

MA Nielsen et IL Chuang , Quantum Computation and Quantum Information , Editeur : Cambridge University Press, Année edition : 2000

1. Livres :
   • Nielsen, M. A., & Chuang, I. L. (2010). « Quantum Computation and Quantum Information. » Cambridge University Press.
   • Bouwmeester, D., Ekert, A., & Zeilinger, A. (2000). « The Physics of Quantum Information: Quantum Cryptography, Quantum Teleportation, Quantum Computation. » Springer.
   • Giovannetti, V., Lloyd, S., & Maccone, L. (2004). « Quantum-Enhanced Measurements: Beating the Standard Quantum Limit. » Science, 306(5700), 1330-1336.
   • Wilde, M. M. (2017). « Quantum Information Theory. » Cambridge University Press.
2. Articles :
   • Bennett, C. H., & Brassard, G. (1984). « Quantum cryptography: Public key distribution and coin tossing. » Proceedings of IEEE International Conference on Computers, Systems, and Signal Processing, 175-179.
   • Ekert, A. K. (1991). « Quantum cryptography based on Bell’s theorem. » Physical Review Letters, 67(6), 661-663.
   • Gisin, N., Ribordy, G., Tittel, W., & Zbinden, H. (2002). « Quantum cryptography. » Reviews of Modern Physics, 74(1), 145-195.
   • Kimble, H. J. (2008). « The quantum internet. » Nature, 453(7198), 1023-1030.
   • Pirandola, S., Laurenza, R., Ottaviani, C., & Banchi, L. (2017). « Fundamental limits of repeaterless quantum communications. » Nature Communications, 8(1), 15043.
3. Revues et journaux spécialisés :
   • Quantum Information Processing (journal)
   • Physical Review A (journal section for quantum information)
   • Quantum Science and Technology (journal)

 Modalité d’évaluation

40% Contrôle continu (TP noté, Test, Assiduité, Devoir surveillé, travaux non présentiel, …) 60% Examen semestriel L’examen sera écrit, avec des questions ouvertes et des exercices sur les sujets expliqués au cours. En détail, l’examen comprend: – des exercices à résoudre, afin d’évaluer les acquis d’apprentissage attendus liés aux descripteurs Dublin 1 et 2 ; – des questions de type théorique à réponse ouverte, afin d’évaluer les acquis d’apprentissage attendus liés aux descripteurs Dublin 1, 2 et 5.

Résultats d’apprentissage :

Après avoir réussi l’examen du cours « Communications quantiques » dans le cadre du diplôme d’ingénieur en Génie Télécommunications, les étudiants devraient avoir acquis un ensemble de compétences techniques et transversales. Voici une liste possible de ces compétences : Compétences techniques spécifiques à la communication quantique :

• Compréhension des principes fondamentaux de la mécanique quantique et de ses applications aux communications quantiques.
• Connaissance des différents protocoles de communication quantique, tels que la distribution de clés quantiques (QKD), la téléportation quantique, etc.
• Maîtrise des concepts liés à l’encodage, à la transmission et à la détection de l’information quantique.
• Capacité à évaluer les différentes technologies de matériel quantique utilisées dans les systèmes de communication quantique.
• Connaissance des défis liés à la décohérence, au bruit quantique et aux perturbations environnementales dans les systèmes de communication quantique.

Compétences transversales et professionnelles :

• Capacité à travailler en équipe dans des projets de télécommunications complexes et multidisciplinaires.
• Compétences en résolution de problèmes, en analyse critique et en prise de décision dans le domaine des communications quantiques et des télécommunications.
• Aptitude à communiquer de manière claire et efficace, tant à l’écrit qu’à l’oral, avec des collègues techniques et des parties prenantes non techniques.
• Sensibilisation aux aspects éthiques et légaux liés à la confidentialité, à la sécurité et à la gestion des données dans les communications quantiques.

5. Capacité à s’adapter aux évolutions rapides des technologies de communication et à poursuivre l’apprentissage tout au long de la carrière professionnelle