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École de technologie supérieure

Responsable(s) de cours : Jean-Marc Robert


PLAN DE COURS

Été 2024
GTI750 : Programmation et algorithmes quantiques (3 crédits)





Préalables
Programme(s) : 7084,7086,7365,7610
             
  Profils(s) : Tous profils  
             
    GTI650 ET LOG320    
             
Unités d'agrément
Total d'unités d'agrément : 58,8 50,0 % 50,0 %




Qualités de l'ingénieur

Qn
Qualité visée dans ce cours  
Qn
  Qualité visée dans un autre cours  
  Indicateur enseigné
  Indicateur évalué
  Indicateur enseigné et évalué



Descriptif du cours
Ce cours vise à acquérir des connaissances et à maitriser les techniques de programmation afin d’être en mesure d’implémenter des algorithmes sur des ordinateurs quantiques.

Au terme de ce cours, l’étudiante ou l’étudiant sera en mesure de : comprendre les éléments fondamentaux de la programmation sur des ordinateurs quantiques ; distinguer les différentes techniques de programmation des ordinateurs quantiques ; développer des applications combinant les ordinateurs classiques et quantiques ; analyser les différents problèmes afin de déterminer la meilleure utilisation des ordinateurs quantiques.

Revue des concepts de l’informatique quantique. Différents paradigmes de programmation. Implémentation d’algorithmes existants ou de nouveaux algorithmes pour résoudre des problèmes simples.



Objectifs du cours

En très peu de temps, les ordinateurs quantiques ont passé du concept à la réalité. Calcul Québec déploiera son premier ordinateur quantique à l’ETS avant la fin de l’année. Cet ordinateur a été entièrement conçu et réalisé à Montréal. En parallèle, IBM devrait déployer son plus puissant ordinateur quantique à l’extérieur des États-Unis à Sherbrooke à l’été 2023.

Les ordinateurs quantiques reposent sur des principes classiques de la mécanique quantique. Une fois que ces principes ont été établis, les ingénieurs logiciel auront un rôle important à jouer. Ceux-ci devront développer des algorithmes performants pour des problèmes qui ne sont pas encore à la portée des ordinateurs classiques.

Ce cours se veut une introduction à l’informatique quantique. À partir de quelques notions fondamentales de mathématique (espace vectoriel, calcul matriciel, groupe), il est possible de faire abstraction des notions de mécanique quantique ou de physique.

L'objectif principal de ce cours est donc de familiariser les étudiant(e)s avec ce nouveau modèle de calcul et de l'utiliser pour développer de nouvelles approches pour des problèmes variés. 

À la fin de ce cours, l’étudiant(e) aura assimilé les notions suivantes :

  • Différents modèles calculatoires (classique et quantique)
  • Modèle quantique universel basé sur le concept de circuit
  • Différentes méthodologies de développement appropriées au domaine quantique (Fouilles exhaustives, solutions approximatives, marches aléatoires, …)

À la fin du cours, l’étudiant(e) sera capable de :

  • analyser un problème ;
  • choisir le modèle quantique le plus approprié;
  • concevoir des algorithmes simples en utilisant les techniques de conception spécialisées;
  • mettre en œuvre des programmes sur des ordinateurs quantiques réels ou grâce à des simulateurs de tels ordinateurs
  • analyser les résultats et faire des améliorations algorithmiques si possible et nécessaires.



Stratégies pédagogiques

La pédagogie du cours est basée sur les méthodes suivantes :

  • Exposés magistraux et lectures individuelles permettent de traiter le contenu du cours;
  • Séances de travaux dirigés permettant de se familiariser avec une plateforme de calcul quantique;
  • Projet en équipe.

Charge d’enseignement : 39 heures de cours

Charge de travaux pratiques / travaux de laboratoire: 36 heures




Utilisation d’appareils électroniques

L'utilisation d'un ordinateur personnel sera permis lors de l'examen Intra et de l'examen Final.




Horaire
Groupe Jour Heure Activité
01 Lundi 13:30 - 17:00 Activité de cours
Mercredi 08:30 - 10:30 TP/Laboratoire (Groupe A)
Mercredi 10:30 - 12:30 TP/Laboratoire (Groupe B)



Coordonnées du personnel enseignant le cours
Groupe Nom Activité Courriel Local Disponibilité
01 Jean-Marc Robert Activité de cours Jean-Marc.Robert@etsmtl.ca A-2418



Cours
  • Modèles calculatoires (3 semaines)
    • Classiques
    • Quantiques
    • Circuits de Clifford et Simulation de circuits
  • Amplification d’amplitude (2 semaines)
    • Algorithme de Grover
    • Transformation de Walsh et ses applications
  • Optimisation  (3 semaines)
  • Marche Aléatoire (2 semaines)
  • Correction d’erreur (1 semaine)
    • Approches classiques et leur incapacité en informatique quantique
    • Protocoles de corrections d’erreurs (2 et 3 qubits)
  • Cryptographie quantique et post-quantique (2 semaines)
    • Distribution quantique de clés
    • Sécurité du protocole de distribution quantique de clés
    • Distribution de clé à la Merkle
    • Cryptographie post-quantique



Laboratoires et travaux pratiques

Trois travaux de programmation devront être faits.

  • Simulation de circuits quantiques et portes de Clifford (3 semaines) : 10%
  • Généralisation et utilisation de l'algorithme de Grover (4 semaines) : 10%
  • Problèmes d'optimisation et approximation (4 semaines) : 10%



Utilisation d'outils d'ingénierie

Plateformes pouvant être utilisées

  • Plateforme de Xanadu - Interface PennyLane
  • Plateforme d'IBM - Interface Qiskit



Évaluation
Devoirs (2) 10% = 5% + 5% Individuel
Projets (3) 30% = 10% + 10% + 10% Équipe de 3 personnes
Examen Intra 30% Individuel
Examen final 30% Individuel

Une moyenne inférieure à 50% dans les évaluations individuelles  entraîne automatiquement un échec au cours. Ceci est une condition nécessaire mais non suffisante pour réussir ce cours.




Double seuil
Note minimale : 50



Dates des examens intra
Groupe(s) Date
1 17 juin 2024



Date de l'examen final
Votre examen final aura lieu pendant la période des examens finaux, veuillez consulter l'horaire à l'adresse suivante : https://www.etsmtl.ca/programmes-et-formations/horaire-des-examens-finaux


Politique de retard des travaux
Tout travail (devoir pratique, rapport de laboratoire, rapport de projet, etc.) remis en retard sans motif valable, c’est-à-dire autre que ceux mentionnés dans le Règlement des études (1er cycle, article 7.2.5/ cycles supérieurs, article 6.5.2) se verra attribuer la note zéro, à moins que d’autres dispositions ne soient communiquées par écrit par l’enseignante ou l’enseignant dans les consignes de chaque travail à remettre ou dans le plan de cours pour l’ensemble des travaux.

Dispositions additionnelles

Aucun travail ne sera accepté après la date de remise. Tout retard non justifié entrainera automatiquement la note de 0.




Absence à un examen
Dans les cinq (5) jours ouvrables suivants, la tenue de son examen, l’étudiante ou l’étudiant devra justifier son absence d’un examen durant le trimestre auprès de la coordonnatrice ou du coordonnateur – Affaires académiques qui en référera à la personne assurant la direction du département. Pour un examen final, l’étudiante ou l’étudiant devra justifier son absence auprès du Bureau de la registraire. Dans tous les cas, l’étudiante ou l’étudiant doit effectuer sa demande en complétant le formulaire de demande d’examen de compensation qui se trouve dans son portail Mon ÉTS/Formulaires. Toute absence non justifiée par un motif majeur (maladie certifiée par un billet de médecin, décès d’un parent immédiat, activité compétitive d’une étudiante ou d’un étudiant appartenant à un club scientifique ou un club sportif d’élite de l’ÉTS ou au programme « Alliance sport étude » ou autre) à un examen entraînera l’attribution de la note zéro (0).



Infractions de nature académique
Les clauses du « Règlement sur les infractions de nature académique de l’ÉTS » s’appliquent dans ce cours ainsi que dans tous les cours du département. Les étudiantes et les étudiants doivent consulter le Règlement sur les infractions de nature académique (www.etsmtl.ca/a-propos/gouvernance/secretariat-general/cadre-reglementaire/reglement-sur-les-infractions-de-nature-academique) pour identifier les actes considérés comme étant des infractions de nature académique ainsi que prendre connaissance des sanctions prévues à cet effet. À l’ÉTS, le respect de la propriété intellectuelle est une valeur essentielle et tous les membres de la communauté étudiante sont invités à consulter la page Citer, pas plagier ! (www.etsmtl.ca/Etudiants-actuels/Baccalaureat/Citer-pas-plagier).

Systèmes d’intelligence artificielle générative (SIAG)
L’utilisation des systèmes d’intelligence artificielle générative (SIAG) dans les activités d’évaluation constitue une infraction de nature académique au sens du Règlement sur les infractions de nature académique, sauf si elle est explicitement autorisée par l’enseignante ou l’enseignant du cours.



Documentation obligatoire

Ce cours n'utilise pas de manuel scolaire.

Pour chaque séance de cours, le support pédagogique sera disponible sur le site Moodle du cours.




Ouvrages de références

Des références optionnelles seront disponibles sur le site Moodle pour approfondir les concepts et sujets abordés durant ce cours.




Adresse internet du site de cours et autres liens utiles

Site Moodle