Simulation of quantum random walks using the interference of a classical field

We suggest a theoretical scheme for the simulation of quantum random walks on a line using beam splitters, phase shifters, and photodetectors. Our model enables us to simulate a quantum random walk using of the wave nature of classical light fields. Furthermore, the proposed setup allows the analysis of the effects of decoherence. The transition from a pure mean-photon-number distribution to a classical one is studied varying the decoherence parameters.

Classical computation with quantum systems

As semiconductor electronic devices scale to the nanometer range and quantum structures (molecules, fullerenes, quantum dots, nanotubes) are investigated for use in information processing and storage, it, becomes useful to explore the limits imposed by quantum mechanics on classical computing. To formulate the problem of a quantum mechanical description of classical computing, electronic device and logic gates are described as quantum sub-systems with inputs treated as boundary conditions, outputs expressed.is operator expectation values, and transfer characteristics and logic operations expressed through the sub-system Hamiltonian. with constraints appropriate to the boundary conditions. This approach, naturally, leads to a description of the subsystem.,, in terms of density matrices. Application of the maximum entropy principle subject to the boundary conditions (inputs) allows for the determination of the density matrix (logic operation), and for calculation of expectation values of operators over a finite region (outputs). The method allows for in analysis of the static properties of quantum sub-systems.

Beyond Ehrenfest: correlated non-adiabatic molecular dynamics

A method for introducing correlations between electrons and ions that is computationally affordable is described. The central assumption is that the ionic wavefunctions are narrow, which makes possible a moment expansion for the full density matrix. To make the problem tractable we reduce the remaining many-electron problem to a single-electron problem by performing a trace over all electronic degrees of freedom except one. This introduces both one- and two-electron quantities into the equations of motion. Quantities depending on more than one electron are removed by making a Hartree-Fock approximation. Using the first-moment approximation, we perform a number of tight binding simulations of the effect of an electric current on a mobile atom. The classical contribution to the ionic kinetic energy exhibits cooling and is independent of the bias. The quantum contribution exhibits strong heating, with the heating rate proportional to the bias. However, increased scattering of electrons with increasing ionic kinetic energy is not observed. This effect requires the introduction of the second moment.

Sudden Transition between Classical and Quantum Decoherence

We study the dynamics of quantum and classical correlations in the presence of nondissipative decoherence. We discover a class of initial states for which the quantum correlations, quantified by the quantum discord, are not destroyed by decoherence for times t < <(t)over bar>. In this initial time interval classical correlations decay. For t > (t) over bar, on the other hand, classical correlations do not change in time and only quantum correlations are lost due to the interaction with the environment. Therefore, at the transition time (t) over bar the open system dynamics exhibits a sudden transition from classical to quantum decoherence regime.

Classical and quantum aspects of multimode parametric interactions

Parametric interactions in nonlinear crystals represent a powerful tool in the optical manipulation of information, both in the classical and the quantum regime. Here, we analyze in detail classical and quantum aspects of three-and five-mode parametric interactions in chi(2) nonlinear crystals. The equations of motion are explicitly derived and then solved within the parametric approximation. We describe several applications, including holography, all-optical gates, generation of entanglement, and telecloning. Experimental results on the photon distributions and correlations of the generated beams are also reported and discussed.

Quantum and classical properties of the fields generated by two interlinked second-order non-linear interactions

We consider two interlinked non-linear interactions occurring simultaneously in a single chi((2)) crystal. Classical and quantum working regimes are considered and their peculiar properties analysed. In particular, we describe an experiment, realized in the classical regime, that verifies the holographic nature of the process, and predict, for the quantum regime, the generation of a fully inseparable tripartite Gaussian state of light that can be used to support a general 1--> 2 continuous variable telecloning protocol.

Monte Carlo studies of quantum and classical annealing on a double well

We present results for a variety of Monte Carlo annealing approaches, both classical and quantum, benchmarked against one another for the textbook optimization exercise of a simple one-dimensional double well. In classical (thermal) annealing, the dependence upon the move chosen in a Metropolis scheme is studied and correlated with the spectrum of the associated Markov transition matrix. In quantum annealing, the path integral Monte Carlo approach is found to yield nontrivial sampling difficulties associated with the tunneling between the two wells. The choice of fictitious quantum kinetic energy is also addressed. We find that a "relativistic" kinetic energy form, leading to a higher probability of long real-space jumps, can be considerably more effective than the standard nonrelativistic one.

SIMLA: Simulating particle dynamics in intense laser and other electromagnetic fields via classical and quantum electrodynamics

We present the Fortran program SIMLA, which is designed for the study of charged particle dynamics in laser and other background fields. The dynamics can be determined classically via the Lorentz force and Landau–Lifshitz equations or, alternatively, via the simulation of photon emission events determined by strong-field quantum-electrodynamics amplitudes and implemented using Monte-Carlo routines. Multiple background fields can be included in the simulation and, where applicable, the propagation direction, field type (plane wave, focussed paraxial, constant crossed, or constant magnetic), and time envelope of each can be independently specified.

The decoupling approach to quantum information theory

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.

From Classical to Quantum Secret Sharing

Dans ce mémoire, nous nous pencherons tout particulièrement sur une primitive cryptographique connue sous le nom de partage de secret. Nous explorerons autant le domaine classique que le domaine quantique de ces primitives, couronnant notre étude par la présentation d’un nouveau protocole de partage de secret quantique nécessitant un nombre minimal de parts quantiques c.-à-d. une seule part quantique par participant. L’ouverture de notre étude se fera par la présentation dans le chapitre préliminaire d’un survol des notions mathématiques sous-jacentes à la théorie de l’information quantique ayant pour but primaire d’établir la notation utilisée dans ce manuscrit, ainsi que la présentation d’un précis des propriétés mathématique de l’état de Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) fréquemment utilisé dans les domaines quantiques de la cryptographie et des jeux de la communication. Mais, comme nous l’avons mentionné plus haut, c’est le domaine cryptographique qui restera le point focal de cette étude. Dans le second chapitre, nous nous intéresserons à la théorie des codes correcteurs d’erreurs classiques et quantiques qui seront à leur tour d’extrême importances lors de l’introduction de la théorie quantique du partage de secret dans le chapitre suivant. Dans la première partie du troisième chapitre, nous nous concentrerons sur le domaine classique du partage de secret en présentant un cadre théorique général portant sur la construction de ces primitives illustrant tout au long les concepts introduits par des exemples présentés pour leurs intérêts autant historiques que pédagogiques. Ceci préparera le chemin pour notre exposé sur la théorie quantique du partage de secret qui sera le focus de la seconde partie de ce même chapitre. Nous présenterons alors les théorèmes et définitions les plus généraux connus à date portant sur la construction de ces primitives en portant un intérêt particulier au partage quantique à seuil. Nous montrerons le lien étroit entre la théorie quantique des codes correcteurs d’erreurs et celle du partage de secret. Ce lien est si étroit que l’on considère les codes correcteurs d’erreurs quantiques étaient de plus proches analogues aux partages de secrets quantiques que ne leur étaient les codes de partage de secrets classiques. Finalement, nous présenterons un de nos trois résultats parus dans A. Broadbent, P.-R. Chouha, A. Tapp (2009); un protocole sécuritaire et minimal de partage de secret quantique a seuil (les deux autres résultats dont nous traiterons pas ici portent sur la complexité de la communication et sur la simulation classique de l’état de GHZ).

Interactive quantum information theory

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.

Characterization theorem for classical orthogonal polynomials on non-uniform lattices: The functional approach

Using the functional approach, we state and prove a characterization theorem for classical orthogonal polynomials on non-uniform lattices (quadratic lattices of a discrete or a q-discrete variable) including the Askey-Wilson polynomials. This theorem proves the equivalence between seven characterization properties, namely the Pearson equation for the linear functional, the second-order divided-difference equation, the orthogonality of the derivatives, the Rodrigues formula, two types of structure relations,and the Riccati equation for the formal Stieltjes function.

Controlling the transport of an ion: classical and quantum mechanical solutions

The accurate transport of an ion over macroscopic distances represents a challenging control problem due to the different length and time scales that enter and the experimental limitations on the controls that need to be accounted for. Here, we investigate the performance of different control techniques for ion transport in state-of-the-art segmented miniaturized ion traps. We employ numerical optimization of classical trajectories and quantum wavepacket propagation as well as analytical solutions derived from invariant based inverse engineering and geometric optimal control. The applicability of each of the control methods depends on the length and time scales of the transport. Our comprehensive set of tools allows us make a number of observations. We find that accurate shuttling can be performed with operation times below the trap oscillation period. The maximum speed is limited by the maximum acceleration that can be exerted on the ion. When using controls obtained from classical dynamics for wavepacket propagation, wavepacket squeezing is the only quantum effect that comes into play for a large range of trapping parameters. We show that this can be corrected by a compensating force derived from invariant based inverse engineering, without a significant increase in the operation time.

Quantum similarity topological indices definition, analysis and comparison with classical molecular topological indices

Es mostra que, gracies a una extensió en la definició dels Índexs Moleculars Topològics, s'arriba a la formulació d'índexs relacionats amb la teoria de la Semblança Molecular Quàntica. Es posa de manifest la connexió entre les dues metodologies: es revela que un marc de treball teòric sòlidament fonamentat sobre la teoria de la Mecànica Quàntica es pot connectar amb una de les tècniques més antigues relacionades amb els estudis de QSPR. Es mostren els resultats per a dos casos d'exemple d'aplicació d'ambdues metodologies