Avantages quantiques en variable continue et applications en optique quantique

Continuous variable quantum advantages and applications in quantum optics

• Auteur / Autrice : Ulysse Chabaud
• Direction : Damian Markham, Elham Kashefi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique quantique
• Date : Soutenance le 22/07/2020
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Informatique, télécommunications et électronique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LIP6 (1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Sébastien Tanzilli
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pérola Milman, Gerardo Adesso
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anthony Leverrier, Andreas Winter

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optique quantique

Machines quantiques

Théorie de l'information quantique

Mots clés libres

Information quantique

Avantage quantique

Optique quantique

Variables continues

Boson sampling

Vérification quantique

Applications quantiques

Processus gaussiens

Quantum information

Quantum advantage

Quantum optics

Résumé

La physique quantique a apporté une révolution conceptuelle quant à la nature de notre monde et apporte aujourd’hui une révolution technologique. En effet, l’utilisation de l’information quantique promet des applications surclassant les machines actuelles, dites classiques. La théorie de l’information quantique en variable continue porte sur l’étude des possibilités qu’offre l’encodage de l’information dans des degrés de liberté continus de systèmes quantiques. Mathématiquement, cette théorie étend l’étude de l'information quantique aux états quantiques dans des espaces de Hilbert de dimension infinie. Elle offre des perspectives différentes de l’information quantique en variable discrète et est notamment adaptée à la description des états quantiques de lumière. L’optique quantique est ainsi une plateforme expérimentale naturelle pour développer des applications quantiques en variable continue. La thèse s’articule autour de trois questions principales : d’où provient l’avantage quantique, c est-à-dire la capacité des machines quantiques à surclasser les machines classiques ? Comment s assurer du bon fonctionnement d une machine quantique ? Quels avantages peut-on tirer de l'utilisation de l’information quantique ? Ces trois questions sont au cœur du développement des technologies quantiques, et nous y apportons plusieurs réponses dans le cadre de la théorie de l’information quantique en variable continue et de l’optique quantique linéaire.

Quantum physics has led to a revolution in our conception of the nature of our world and is now bringing about a technological revolution. The use of quantum information promises indeed applications that outperform those of today's so-called classical devices. Continuous variable quantum information theory refers to the study of quantum information encoded in continuous degrees of freedom of quantum systems. This theory extends the mathematical study of quantum information to quantum states in Hilbert spaces of infinite dimension. It offers different perspectives compared to discrete variable quantum information theory and is particularly suitable for the description of quantum states of light. Quantum optics is thus a natural experimental platform for developing quantum applications in continuous variable. This thesis focuses on three main questions: where does a quantum advantage, that is, the ability of quantum machines to outperform classical machines, come from? How to ensure the proper functioning of a quantum machine? What advantages can be gained in practice from the use of quantum information? These three questions are at the heart of the development of future quantum technologies and we provide several answers within the frameworks of continuous variable quantum information and linear quantum optics.