979 resultados para quantum information
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An entangled two-mode coherent state is studied within the framework of 2 x 2-dimensional Hilbert space. An entanglement concentration scheme based on joint Bell-state measurements is worked out. When the entangled coherent state is embedded in vacuum environment, its entanglement is degraded but not totally lost. It is found that the larger the initial coherent amplitude, the faster entanglement decreases. We investigate a scheme to teleport a coherent superposition state while considering a mixed quantum channel. We find that the decohered entangled coherent state may be useless for quantum teleportation as it gives the optimal fidelity of teleportation less than the classical limit 2/3.
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A key element in the architecture of a quantum-information processing network is a reliable physical interface between fields and qubits. We study a process of entanglement transfer engineering, where two remote qubits respectively interact with an entangled two-mode continuous-variable (CV) field. We quantify the entanglement induced in the qubit state at the expenses of the loss of entanglement in the CV system. We discuss the range of mixed entangled states which can be obtained with this setup. Furthermore, we suggest a protocol to determine the residual entangling power of the light fields inferring, thus, the entanglement left in the field modes which, after the interaction, are no longer in a Gaussian state. Two different setups are proposed: a cavity-QED system and an interface between superconducting qubits and field modes. We address in detail the practical difficulties inherent in these two proposals, showing that the latter is promising in many aspects.
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We provide an analysis of basic quantum-information processing protocols under the effect of intrinsic nonidealities in cluster states. These nonidealities are based on the introduction of randomness in the entangling steps that create the cluster state and are motivated by the unavoidable imperfections faced in creating entanglement using condensed-matter systems. Aided by the use of an alternative and very efficient method to construct cluster-state configurations, which relies on the concatenation of fundamental cluster structures, we address quantum-state transfer and various fundamental gate simulations through noisy cluster states. We find that a winning strategy to limit the effects of noise is the management of small clusters processed via just a few measurements. Our study also reinforces recent ideas related to the optical implementation of a one-way quantum computer.
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These notes originated out of a set of lectures in Quantum Optics and Quantum Information given by one of us (MGAP) at the University of Napoli and the University of Milano. A quite broad set of issues are covered, ranging from elementary concepts to current research topics, and from fundamental concepts to applications. A special emphasis has been given to the phase space analysis of quantum dynamics and to the role of Gaussian states in continuous variable quantum information.
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La théorie de l'information quantique étudie les limites fondamentales qu'imposent les lois de la physique sur les tâches de traitement de données comme la compression et la transmission de données sur un canal bruité. Cette thèse présente des techniques générales permettant de résoudre plusieurs problèmes fondamentaux de la théorie de l'information quantique dans un seul et même cadre. Le théorème central de cette thèse énonce l'existence d'un protocole permettant de transmettre des données quantiques que le receveur connaît déjà partiellement à l'aide d'une seule utilisation d'un canal quantique bruité. Ce théorème a de plus comme corollaires immédiats plusieurs théorèmes centraux de la théorie de l'information quantique. Les chapitres suivants utilisent ce théorème pour prouver l'existence de nouveaux protocoles pour deux autres types de canaux quantiques, soit les canaux de diffusion quantiques et les canaux quantiques avec information supplémentaire fournie au transmetteur. Ces protocoles traitent aussi de la transmission de données quantiques partiellement connues du receveur à l'aide d'une seule utilisation du canal, et ont comme corollaires des versions asymptotiques avec et sans intrication auxiliaire. Les versions asymptotiques avec intrication auxiliaire peuvent, dans les deux cas, être considérées comme des versions quantiques des meilleurs théorèmes de codage connus pour les versions classiques de ces problèmes. Le dernier chapitre traite d'un phénomène purement quantique appelé verrouillage: il est possible d'encoder un message classique dans un état quantique de sorte qu'en lui enlevant un sous-système de taille logarithmique par rapport à sa taille totale, on puisse s'assurer qu'aucune mesure ne puisse avoir de corrélation significative avec le message. Le message se trouve donc «verrouillé» par une clé de taille logarithmique. Cette thèse présente le premier protocole de verrouillage dont le critère de succès est que la distance trace entre la distribution jointe du message et du résultat de la mesure et le produit de leur marginales soit suffisamment petite.
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La théorie de l'information quantique s'est développée à une vitesse fulgurante au cours des vingt dernières années, avec des analogues et extensions des théorèmes de codage de source et de codage sur canal bruité pour la communication unidirectionnelle. Pour la communication interactive, un analogue quantique de la complexité de la communication a été développé, pour lequel les protocoles quantiques peuvent performer exponentiellement mieux que les meilleurs protocoles classiques pour certaines tâches classiques. Cependant, l'information quantique est beaucoup plus sensible au bruit que l'information classique. Il est donc impératif d'utiliser les ressources quantiques à leur plein potentiel. Dans cette thèse, nous étudions les protocoles quantiques interactifs du point de vue de la théorie de l'information et étudions les analogues du codage de source et du codage sur canal bruité. Le cadre considéré est celui de la complexité de la communication: Alice et Bob veulent faire un calcul quantique biparti tout en minimisant la quantité de communication échangée, sans égard au coût des calculs locaux. Nos résultats sont séparés en trois chapitres distincts, qui sont organisés de sorte à ce que chacun puisse être lu indépendamment. Étant donné le rôle central qu'elle occupe dans le contexte de la compression interactive, un chapitre est dédié à l'étude de la tâche de la redistribution d'état quantique. Nous prouvons des bornes inférieures sur les coûts de communication nécessaires dans un contexte interactif. Nous prouvons également des bornes atteignables avec un seul message, dans un contexte d'usage unique. Dans un chapitre subséquent, nous définissons une nouvelle notion de complexité de l'information quantique. Celle-ci caractérise la quantité d'information, plutôt que de communication, qu'Alice et Bob doivent échanger pour calculer une tâche bipartie. Nous prouvons beaucoup de propriétés structurelles pour cette quantité, et nous lui donnons une interprétation opérationnelle en tant que complexité de la communication quantique amortie. Dans le cas particulier d'entrées classiques, nous donnons une autre caractérisation permettant de quantifier le coût encouru par un protocole quantique qui oublie de l'information classique. Deux applications sont présentées: le premier résultat général de somme directe pour la complexité de la communication quantique à plus d'une ronde, ainsi qu'une borne optimale, à un terme polylogarithmique près, pour la complexité de la communication quantique avec un nombre de rondes limité pour la fonction « ensembles disjoints ». Dans un chapitre final, nous initions l'étude de la capacité interactive quantique pour les canaux bruités. Étant donné que les techniques pour distribuer de l'intrication sont bien étudiées, nous nous concentrons sur un modèle avec intrication préalable parfaite et communication classique bruitée. Nous démontrons que dans le cadre plus ardu des erreurs adversarielles, nous pouvons tolérer un taux d'erreur maximal de une demie moins epsilon, avec epsilon plus grand que zéro arbitrairement petit, et ce avec un taux de communication positif. Il s'ensuit que les canaux avec bruit aléatoire ayant une capacité positive pour la transmission unidirectionnelle ont une capacité positive pour la communication interactive quantique. Nous concluons avec une discussion de nos résultats et des directions futures pour ce programme de recherche sur une théorie de l'information quantique interactive.
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NMR quantum information processing studies rely on the reconstruction of the density matrix representing the so-called pseudo-pure states (PPS). An initially pure part of a PPS state undergoes unitary and non-unitary (relaxation) transformations during a computation process, causing a ""loss of purity"" until the equilibrium is reached. Besides, upon relaxation, the nuclear polarization varies in time, a fact which must be taken into account when comparing density matrices at different instants. Attempting to use time-fixed normalization procedures when relaxation is present, leads to various anomalies on matrices populations. On this paper we propose a method which takes into account the time-dependence of the normalization factor. From a generic form for the deviation density matrix an expression for the relaxing initial pure state is deduced. The method is exemplified with an experiment of relaxation of the concurrence of a pseudo-entangled state, which exhibits the phenomenon of sudden death, and the relaxation of the Wigner function of a pseudo-cat state.
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In the past decades, all of the efforts at quantifying systems complexity with a general tool has usually relied on using Shannon's classical information framework to address the disorder of the system through the Boltzmann-Gibbs-Shannon entropy, or one of its extensions. However, in recent years, there were some attempts to tackle the quantification of algorithmic complexities in quantum systems based on the Kolmogorov algorithmic complexity, obtaining some discrepant results against the classical approach. Therefore, an approach to the complexity measure is proposed here, using the quantum information formalism, taking advantage of the generality of the classical-based complexities, and being capable of expressing these systems' complexity on other framework than its algorithmic counterparts. To do so, the Shiner-Davison-Landsberg (SDL) complexity framework is considered jointly with linear entropy for the density operators representing the analyzed systems formalism along with the tangle for the entanglement measure. The proposed measure is then applied in a family of maximally entangled mixed state.
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We show that deterministic quantum computing with a single bit can determine whether the classical limit of a quantum system is chaotic or integrable using O(N) physical resources, where N is the dimension of the Hilbert space of the system under study. This is a square-root improvement over all known classical procedures. Our study relies strictly on the random matrix conjecture. We also present numerical results for the nonlinear kicked top.
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We outline a toolbox comprised of passive optical elements, single photon detection and superpositions of coherent states (Schrodinger cat states). Such a toolbox is a powerful collection of primitives for quantum information processing tasks. We illustrate its use by outlining a proposal for universal quantum computation. We utilize this toolbox for quantum metrology applications, for instance weak force measurements and precise phase estimation. We show in both these cases that a sensitivity at the Heisenberg limit is achievable.
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We provide optimal measurement schemes for estimating relative parameters of the quantum state of a pair of spin systems. We prove that the optimal measurements are joint measurements on the pair of systems, meaning that they cannot be achieved by local operations and classical communication. We also demonstrate that in the limit where one of the spins becomes macroscopic, our results reproduce those that are obtained by treating that spin as a classical reference direction.
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We show that quantum information can be encoded into entangled states of multiple indistinguishable particles in such a way that any inertial observer can prepare, manipulate, or measure the encoded state independent of their Lorentz reference frame. Such relativistically invariant quantum information is free of the difficulties associated with encoding into spin or other degrees of freedom in a relativistic context.
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Photonic quantum-information processing schemes, such as linear optics quantum computing, and other experiments relying on single-photon interference, inherently require complete photon indistinguishability to enable the desired photonic interactions to take place. Mode-mismatch is the dominant cause of photon distinguishability in optical circuits. Here we study the effects of photon wave-packet shape on tolerance against the effects of mode mismatch in linear optical circuits, and show that Gaussian distributed photons with large bandwidth are optimal. The result is general and holds for arbitrary linear optical circuits, including ones which allow for postselection and classical feed forward. Our findings indicate that some single photon sources, frequently cited for their potential application to quantum-information processing, may in fact be suboptimal for such applications.
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The problem of distributed compression for correlated quantum sources is considered. The classical version of this problem was solved by Slepian and Wolf, who showed that distributed compression could take full advantage of redundancy in the local sources created by the presence of correlations. Here it is shown that, in general, this is not the case for quantum sources, by proving a lower bound on the rate sum for irreducible sources of product states which is stronger than the one given by a naive application of Slepian-Wolf. Nonetheless, strategies taking advantage of correlation do exist for some special classes of quantum sources. For example, Devetak and Winter demonstrated the existence of such a strategy when one of the sources is classical. Optimal nontrivial strategies for a different extreme, sources of Bell states, are presented here. In addition, it is explained how distributed compression is connected to other problems in quantum information theory, including information-disturbance questions, entanglement distillation and quantum error correction.
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We discuss the characterization and properties of quantum nondemolition (QND) measurements on qubit systems. We introduce figures of merit which can be applied to systems of any Hilbert space dimension, thus providing universal criteria for characterizing QND measurements. The controlled-NOT gate and an optical implementation are examined as examples of QND devices for qubits. We also consider the QND measurement of weak values.