L’informatique quantique offre la possibilité de résoudre des problèmes complexes plus rapidement que les ordinateurs classiques en tirant parti des principes de la mécanique quantique. Des progrès significatifs ont été réalisés dans des domaines tels que l’intelligence artificielle, la cryptographie, l’apprentissage profond, l’optimisation et la résolution d’équations complexes.
Alors que de grandes entreprises technologiques comme IBM, Google et Microsoft travaillent à la mise au point d’ordinateurs quantiques pratiques capables de traiter des informations quantiques plus volumineuses, d’importants défis restent à relever avant que la technologie quantique puisse être largement adoptée.
Bien que la communication et la cryptographie quantiques soient de plus en plus utilisées dans des applications commerciales en raison de leurs systèmes sécurisés, la communication et la cryptographie quantiques doivent faire l’objet d’une vérification rigoureuse avant d’être utilisées dans des applications critiques en matière de sécurité. Ces processus sont essentiels pour garantir qu’il n’y ait aucune défaillance en matière de sûreté ou de sécurité.
Pour combler cette lacune, le professeur adjoint Canh Minh Do, ainsi que le professeur agrégé Tsubasa Takagi et le professeur Kazuhiro Ogata du Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST), Japon, ont développé une approche automatisée pour vérifier les programmes quantiques basés sur la logique quantique dynamique de base. (BDQL).
BDQL capture fidèlement l’évolution et les mesures quantiques en mécanique quantique, fournissant un cadre logique pour formaliser et vérifier les protocoles quantiques avec leurs propriétés souhaitées. Malgré son efficacité, BDQL présentait des limites, notamment son incapacité à gérer les interactions entre les participants aux protocoles quantiques.
Pour surmonter ces limitations, l’équipe a développé une nouvelle logique connue sous le nom de Concurrent Dynamic Quantum Logic (CDQL), qui étend les capacités de BDQL pour gérer la concurrence dans les protocoles quantiques.
Dans leur étude publié le 12 décembre à Transactions ACM sur le génie logiciel et la méthodologieexplique le Dr Do, « CDQL formalise efficacement les comportements concurrents et la communication entre les participants aux protocoles quantiques.
« Notre cadre logique prévoit également une transformation des modèles CDQL vers les modèles BDQL, garantissant la compatibilité avec la sémantique BDQL, et introduit une stratégie de réécriture paresseuse pour une vérification rapide. »
Cette avancée améliore non seulement l’expressivité de la logique, mais accélère également le processus de vérification, le rendant ainsi applicable à un plus large éventail d’applications quantiques pratiques vérifiées.
L’un des principaux avantages de CDQL par rapport à BDQL est sa capacité à gérer des actions simultanées. Alors que BDQL était limité aux actions séquentielles, CDQL peut modéliser des protocoles quantiques qui nécessitent que plusieurs actions se produisent simultanément, ce qui le rend mieux adapté aux problèmes du monde réel.
De plus, le cadre fournit une stratégie de réécriture paresseuse pour améliorer l’efficacité du processus de vérification. Concrètement, cette stratégie élimine les entrelacements non pertinents des étapes précédentes et réutilise les résultats pour éviter les calculs inutiles.
Cela améliore la vitesse et l’évolutivité de la vérification des protocoles quantiques. Malgré ses avantages, notre framework présente certaines limites, comme son incapacité à gérer le partage de données quantiques sur des canaux quantiques. Cependant, le Dr Do et son équipe prévoient résoudre cette contrainte dans le futur afin d’augmenter la polyvalence du CDQL.
Pour améliorer la modélisation et la vérification des protocoles quantiques, le CDQL a été développé comme une extension du BDQL. L’équipe de recherche a formalisé et vérifié avec succès divers protocoles de communication quantique dans BDQL et CDQL.
« Notre approche de vérification formelle automatisée, utilisant à la fois BDQL et CDQL, fournit un cadre rigoureux pour vérifier les modèles séquentiels et concurrents de protocoles quantiques. Cela contribue à la fiabilité des technologies fondamentales telles que la communication quantique, la cryptographie quantique et les systèmes informatiques quantiques distribués. » explique le Dr Do.
Ce travail met en évidence l’importance de garantir l’exactitude des protocoles quantiques avant leur déploiement dans des applications critiques.
En conclusion, CDQL est plus efficace que BDQL pour formaliser des protocoles quantiques avec des actions concurrentes.
« Ce travail introduit une approche automatisée utilisant CDQL pour vérifier l’exactitude des protocoles quantiques, garantissant ainsi leur fiabilité avant leur déploiement dans des applications critiques pour la sécurité », conclut le Dr Do.
Il ajoute en outre : « En garantissant l’exactitude des protocoles quantiques, ces travaux contribuent au développement de technologies quantiques fiables et sans bugs, en particulier dans les domaines de la communication quantique et de la cryptographie, au cours des cinq à dix prochaines années. »
Cette étude représente une avancée significative dans la vérification formelle des protocoles quantiques, contribuant à la fiabilité, à la sécurité et à l’applicabilité pratique des technologies quantiques.
Plus d’informations :
Canh Minh Do et al, Vérification automatisée du protocole quantique basée sur une logique quantique dynamique concurrente, Transactions ACM sur le génie logiciel et la méthodologie (2024). DOI : 10.1145/3708475