Traitement de l'information quantique avec des structures causales indéfinies multipartites

par Julian Wechs

Projet de thèse en Physique Théorique

Sous la direction de Alexia Auffeves et de Cyril Branciard.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de Physique , en partenariat avec Institut Néel (laboratoire) depuis le 01-01-2017 .


  • Résumé

    La mécanique quantique permet des situations qui ne sont pas compatibles avec un ordre causal, et qui vont au-delà du paradigme des circuits quantiques ayant un ordre causal défini. En plus de leur interêt pour la physique fondamentale, ces ordres causaux indéfinis peuvent être utilisés pour accroître l'efficacité des protocoles en information quantique, et pour réaliser de nouvelles tâches. Il y a encore beaucoup de questions ouvertes concernant la faisabilité physique des processus avec un ordre causal indéfini. Les exemples qui ont été réalisés en pratique jusqu'à présent sont des processus qui impliquent plus que deux parties. Pourtant, les outils mathématiques pour l'analyse des scénarios avec un ordre causal indéfini ont été développés surtout pour le cas bipartite. Afin d'exploiter les avantages des structures causales indéfinies en information quantique, il est donc essentiel d'acquérir une compréhension détaillée du cas multipartite. Un objectif de la thèse est de développer les outils théoriques pour la description et la caractérisation des relations causales multipartites. Cela va contribuer à la clarification de la question : « Quels sont les processus avec un ordre causal indéfini qui sont réalisables physiquement ? » Sur cette base, nous allons analyser plus concrètement les avantages que les structures causales indéfinies fournissent pour le traitement de l'information quantique. Nous étudierons les nouvelles tâches et les nouveaux protocoles qui deviennent possibles avec des processus incompatibles avec un ordre causal, quels gains en terme de complexité algorithmique ou complexité de communication ces processus permettent, et comment ces avantages peuvent être réalisés concrètement.

  • Titre traduit

    Quantum information processing with multipartite indefinite causal structures


  • Résumé

    In recent years, it was found that quantum theory allows for multipartite scenarios that are not compatible with a definite causal order between the parties involved, and that go beyond the usual paradigm of causally ordered quantum circuits. Besides being of interest for fundamental physics, such processes can be used to increase the efficiency of quantum computing protocols and to realize new quantum information processing tasks. However, the question which processes with indefinite causal order can actually be implemented practically has not yet been clarified to its full extent. All causally indefinite processes that are known to be realizable involve more than two parties. However, the mathematical tools to analyze scenarios with indefinite causal order have been developed mostly for the bipartite case. To exploit the computational advantages made possible by indefinite causal structures in practice, it is crucial to gain a comprehensive understanding of multipartite scenarios without definite causal order. One of the objectives of the thesis is therefore to develop the theoretical and conceptual instruments for the investigation and characterization of multipartite causal relations in quantum mechanics. This will shed light on the question which processes with indefinite causal order are physical. Building on this theoretical basis, we will study concrete implementation schemes for such processes, and analyze them with respect to the advantages that they bring for quantum computing. We will investigate which kind of new tasks and protocols they allow one to realize and which gain in terms of computation or communication complexity they offer, and how such processes can be realized concretely.