Quantum Game Semantics

Cette thèse porte sur la sémantique des langages de programmation quantiques, et en particulier sur celle du lambda-calcul quantique, un langage paradigmatique dû à Selinger et Valiron qui marrie flot de contrôle classique riche (fonctions d’ordre supérieur, récursion, etc) avec des données quantiques (création de qubits, mesure, application d’opérateurs unitaires). Pour donner un modèle du lambda-calcul quantique, il convient de trouver une alliance harmonieuse entre les modèles traditionnels de sémantique dénotationnelle (qui donnent du sens aux programmes en les interprétant dans des univers mathématiques adéquats) et les mathématiques du quantique (espaces de Hilbert, matrices de densité, etc). Cette thèse comporte trois contributions principales : Premièrement, nous étendons la sémantique des jeux, une approche dynamique à la sémantique dénotationnelle, au cas quantique. Nous obtenons le premier modèle dénotationnel du lambda-calcul quantique complet qui soit à la fois compositionnel et interactif, c’est à dire qu’il représente la dynamique de l’exécution. Notre modèle est une généralisation naturelle de développements récents pour le cas probabiliste.Deuxièmement, nous relions formellement notre modèle au seul modèle dénotationnel pré-existant du lambda-calcul quantique complet, le modèle relationnel quantique dû à Pagani, Selinger et Valiron. Finalement, nous montrons que notre modèle de jeux est pleinement adéquat, la correspondance idéale entre un langage de programmation et sa sémantique dénotationnelle. Nous en déduisons que le modèle relationnel quantique était lui-aussi pleinement adéquat, un problème que ses auteurs avaient laissé ouvert. Cette thèse se décompose en trois parties. La première partie présente des préliminaires de théorie des catégories, qui permettent de définir un cadre formel englobant à la fois notre modèle de jeux quantique et le modèle relationnel quantique, puis des préliminaires sur les mathématiques du quantique, et enfin des préliminaires sur la programmation quantique et ses modèles. La deuxième partie commence par des préliminaires de sémantique des jeux, et définit notre modèle de jeux quantique dans un cadre simplifié : le lambda-calcul linéaire quantique. Enfin, la troisième partie s'appuie sur la deuxième pour présenter le modèle de jeux quantique complet, prouver que ce modèle est pleinement adéquat, et en déduire que le modèle relationnel quantique est lui aussi pleinement adéquat.In this thesis, we study quantum programming languages, and focus on the quantum lambda-calculus, a paradigmatic language defined by Selinger and Valiron, which mixes a rich classical control flow (higher order functions, etc.) and quantum data (qubit creation, measure, and unitary operations). In this thesis, we search for a denotational semantics of this language, in other words, we extract the meaning and behaviour of programs by interpreting them in an adequately chosen mathematical universe. In order to model the quantum lambda-calculus, one must adapt the traditional denotational models to the mathematics of quantum computation (Hilbert spaces, density matrices, etc.). We have three main contributions:Firstly, we extend game semantics to the quantum case. Game semantics is a dynamic approach to denotational semantics, which focuses on the sequence of interactions between a program and its environment. We obtain the first denotational model of the full quantum lambda-calculus which is both compositional and interactive, meaning that it represents the dynamic of the execution. Our model generalise the recently developed model for the probabilistic case.Secondly, we formally link our model to the only pre-existing denotational model of the full lambda-calculus, the quantum relational model of Pagani, Selinger and Valiron.Lastly, we prove that our game model is fully abstract, the gold standard of denotational semantics, which ensures a total correspondence between the programming language and the model. We deduce that the quantum relational model was also fully abstract, which was an open problem.This thesis is constituted of three parts. The first part details some preliminaries on category theory, used for defining a formal framework including both the quantum game model and the quantum relational model, some preliminaries on the mathematics of quantum computation, and then some preliminaries on quantum programming and its models. The second part starts with some preliminaries on game semantics and defines our quantum game model in the simplified case of the linear quantum lambda-calculus. The third part builds on the second part to define the full quantum game model, prove its full abstraction, and deduce that the quantum relational model is fully abstract too