Thèse Approche d'Ingénierie Système Basée sur les Modèles pour l'Automatisation et l'Optimisation de l'Exploration d'Architectures de Contrôle de Qubits H/F Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Informatique et sciences du numérique École doctorale : Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication Laboratoire de recherche : CEA /LIST - Laboratoire d'intégration de systèmes et de technologies Direction de la thèse : Chokri MRAIDHA ORCID 0000000329935734 Début de la thèse : 2027-01-04 Date limite de candidature : 2027-03-31T23:59:59 La conception de l'architecture système pour contrôler des millions de qubits dans un ordinateur quantique est un défi complexe en raison des contraintes strictes issues de domaines techniques hétérogènes (micro-électronique, information quantique, thermique). Elle requiert des formalismes et des outils dédiés pour permettre son automatisation et optimisation. Là où les approches traditionnelles restent cloisonnées, l'ingénierie système basée sur les modèles (MBSE) et le langage de modélisation standard SysML v2 apportent un cadre d'intégration unique pour l'analyse et l'exploration des espaces de conception de systèmes multi-physiques complexes.
Pour capturer ces architectures dans des modèles SysML v2, ce travail de recherche vise à proposer des adaptations de ce langage de modélisation au domaine quantique en créant des extensions dédiées (bibliothèques et métadonnées).
A partir de ces modèles, ces recherches exploreront comment les algorithmes quantiques ou hybrides de référence impactent ces architectures, notamment à l'aune de l'estimation des ressources nécessaires à ces applications et des mécanismes de correction d'erreurs employés.
La thèse entend développer une démarche pour l'automatisation et l'optimisation de l'exploration de ces architectures. Pour cela elle étudiera comment adapter des algorithmes de recherche opérationnelle à l'exploration de l'espace de conception, en y intégrant des analyses de sensibilité, des heuristiques de relaxation de contraintes et une prise en compte des incertitudes physiques.
Ce travail de recherche ambitionne d'identifier les paramètres les plus dimensionnants et d'apporter des connaissances nouvelles capables d'orienter vers les axes de R&D les plus prometteurs.
Concevoir l'architecture système qui contrôle les millions de qubits d'un ordinateur quantique représente un défi majeur. Elle doit en effet satisfaire des contraintes très strictes relevant de domaines techniques hétérogènes (micro-électronique, information quantique, thermique). L'expertise humaine ne suffit pas à en maitriser la complexité. Ainsi, l'exploration des architectures conformes aux contraintes requiert des formalismes et des outils dédiés pour permettre son automatisation et optimisation. Plusieurs outils et
méthodologies d'ingénierie existent pour soutenir la conception et l'analyse d'aspects individuels des architectures d'informatique quantique. Toutefois, ces outils traitent des aspects d'ingénierie isolés et reposent sur des formalismes de modélisation ainsi que des chaînes d'outils hétérogènes. Par conséquent, les décisions architecturales doivent souvent être répercutées manuellement d'un outil à l'autre, ce qui rend le maintien de la cohérence difficile et limite l'exploration automatisée de l'espace de conception. 1. Définir l'abstraction nécessaire et suffisante pour modéliser le problème d'optimisation d'architectures de contrôle de qubits.

2. Exploiter ce modèle pour automatiser l'exploration d'architectures en adaptant des algorithmes de recherche opérationnelle ou en définissant des heuristiques qui prennent en compte les spécificités du domaine quantique, notamment en termes d'incertitudes physiques. L'approche MBSE (Model-Based System Engineering) a montré son efficacité pour la maîtrise et l'intégration des systèmes complexes dans de nombreux domaines d'application [1][2]. Plus particulièrement, le standard SysML v2 offre un mécanisme de décomposition hiérarchique, une sémantique formelle [3], un langage d'expression riche pour la spécification des relations mathématiques entre les caractéristiques des
composants, des mécanismes d'extension par bibliothèques et métadonnées, et des facilités pour l'intégration avec des outils d'optimisation. Cela en fait un cadre adapté à l'analyse, la vérification et l'exploration d'espaces de conception de systèmes multi-physiques complexes [4]. De plus, les bibliothèques standards dans SysML v2 pour le Système International d'Unités et le Système International des Quantité seront directement applicables aux grandeurs physiques des domaines techniques adressés dans ce travail ainsi qu'aux métriques pertinentes pour l'évaluation et l'optimisation.