Quantum measurement of coherent tunnelling between quantum dots

We describe the conditional and unconditional dynamics of two coupled quantum dots when one dot is subjected to a measurement of its occupation number by coupling it to a third readout dot via the Coulomb interaction. The readout dot is coupled to source and drain leads under weak bias, and a tunnel current flows through a single bound state when energetically allowed. The occupation of the quantum dot near the readout dot shifts the bound state of the readout dot from a low conducting state to a high conducting state. The measurement is made by continuously monitoring the tunnel current through the readout dot. We show that there is a difference between the time scale for the measurement-induced decoherence between the localized states of the dots, and the time scale on which the system becomes localized due to the measurement.

Read-only-memory-based quantum computation: Experimental explorations using nuclear magnetic resonance and future prospects

Read-only-memory-based (ROM-based) quantum computation (QC) is an alternative to oracle-based QC. It has the advantages of being less magical, and being more suited to implementing space-efficient computation (i.e., computation using the minimum number of writable qubits). Here we consider a number of small (one- and two-qubit) quantum algorithms illustrating different aspects of ROM-based QC. They are: (a) a one-qubit algorithm to solve the Deutsch problem; (b) a one-qubit binary multiplication algorithm; (c) a two-qubit controlled binary multiplication algorithm; and (d) a two-qubit ROM-based version of the Deutsch-Jozsa algorithm. For each algorithm we present experimental verification using nuclear magnetic resonance ensemble QC. The average fidelities for the implementation were in the ranges 0.9-0.97 for the one-qubit algorithms, and 0.84-0.94 for the two-qubit algorithms. We conclude with a discussion of future prospects for ROM-based quantum computation. We propose a four-qubit algorithm, using Grover's iterate, for solving a miniature real-world problem relating to the lengths of paths in a network.

Quantum dynamics of two coupled qubits

We investigate the difference between classical and quantum dynamics of coupled magnetic dipoles. We prove that in general the dynamics of the classical interaction Hamiltonian differs from the corresponding quantum model, regardless of the initial state. The difference appears as nonpositive-definite diffusion terms in the quantum evolution equation of an appropriate positive phase-space probability density. Thus, it is not possible to express the dynamics in terms of a convolution of a positive transition probability function and the initial condition as can be done in the classical case. It is this feature that enables the quantum system to evolve to an entangled state. We conclude that the dynamics are a quantum element of nuclear magnetic resonance quantum-information processing. There are two limits where our quantum evolution coincides with the classical one: the short-time limit before spin-spin interaction sets in and the long-time limit when phase diffusion is incorporated.

One-dimensional quantum walk with unitary noise

The effect of unitary noise on the discrete one-dimensional quantum walk is studied using computer simulations. For the noiseless quantum walk, starting at the origin (n=0) at time t=0, the position distribution P-t(n) at time t is very different from the Gaussian distribution obtained for the classical random walk. Furthermore, its standard deviation, sigma(t) scales as sigma(t)similar tot, unlike the classical random walk for which sigma(t)similar toroott. It is shown that when the quantum walk is exposed to unitary noise, it exhibits a crossover from quantum behavior for short times to classical-like behavior for long times. The crossover time is found to be Tsimilar toalpha(-2), where alpha is the standard deviation of the noise.

Quantum wire with periodic serial structure

Electron wave motion in a quantum wire with periodic structure is treated by direct solution of the Schrödinger equation as a mode-matching problem. Our method is particularly useful for a wire consisting of several distinct units, where the total transfer matrix for wave propagation is just the product of those for its basic units. It is generally applicable to any linearly connected serial device, and it can be implemented on a small computer. The one-dimensional mesoscopic crystal recently considered by Ulloa, Castaño, and Kirczenow [Phys. Rev. B 41, 12 350 (1990)] is discussed with our method, and is shown to be a strictly one-dimensional problem. Electron motion in the multiple-stub T-shaped potential well considered by Sols et al. [J. Appl. Phys. 66, 3892 (1989)] is also treated. A structure combining features of both of these is investigated

Quantum wire with periodic serial structure

Electron wave motion in a quantum wire with periodic structure is treated by direct solution of the Schrödinger equation as a mode-matching problem. Our method is particularly useful for a wire consisting of several distinct units, where the total transfer matrix for wave propagation is just the product of those for its basic units. It is generally applicable to any linearly connected serial device, and it can be implemented on a small computer. The one-dimensional mesoscopic crystal recently considered by Ulloa, Castaño, and Kirczenow [Phys. Rev. B 41, 12 350 (1990)] is discussed with our method, and is shown to be a strictly one-dimensional problem. Electron motion in the multiple-stub T-shaped potential well considered by Sols et al. [J. Appl. Phys. 66, 3892 (1989)] is also treated. A structure combining features of both of these is investigated.

Performance Analysis of Two Quantum Reaction Dynamics Codes: Time-Dependent and Time-Independent Strategies

The computer simulation of reaction dynamics has nowadays reached a remarkable degree of accuracy. Triatomic elementary reactions are rigorously studied with great detail on a straightforward basis using a considerable variety of Quantum Dynamics computational tools available to the scientific community. In our contribution we compare the performance of two quantum scattering codes in the computation of reaction cross sections of a triatomic benchmark reaction such as the gas phase reaction Ne + H2+ %12. NeH++ H. The computational codes are selected as representative of time-dependent (Real Wave Packet [ ]) and time-independent (ABC [ ]) methodologies. The main conclusion to be drawn from our study is that both strategies are, to a great extent, not competing but rather complementary. While time-dependent calculations advantages with respect to the energy range that can be covered in a single simulation, time-independent approaches offer much more detailed information from each single energy calculation. Further details such as the calculation of reactivity at very low collision energies or the computational effort related to account for the Coriolis couplings are analyzed in this paper.

Performance Analysis of Two Quantum Reaction Dynamics Codes: Time-Dependent and Time-Independent Strategies

The computer simulation of reaction dynamics has nowadays reached a remarkable degree of accuracy. Triatomic elementary reactions are rigorously studied with great detail on a straightforward basis using a considerable variety of Quantum Dynamics computational tools available to the scientific community. In our contribution we compare the performance of two quantum scattering codes in the computation of reaction cross sections of a triatomic benchmark reaction such as the gas phase reaction Ne + H2+ %12. NeH++ H. The computational codes are selected as representative of time-dependent (Real Wave Packet [ ]) and time-independent (ABC [ ]) methodologies. The main conclusion to be drawn from our study is that both strategies are, to a great extent, not competing but rather complementary. While time-dependent calculations advantages with respect to the energy range that can be covered in a single simulation, time-independent approaches offer much more detailed information from each single energy calculation. Further details such as the calculation of reactivity at very low collision energies or the computational effort related to account for the Coriolis couplings are analyzed in this paper.

Unidirectional quantum walks: Evolution and exit times

In this paper we focus our attention on a particle that follows a unidirectional quantum walk, an alternative version of the currently widespread discrete-time quantum walk on a line. Here the walker at each time step can either remain in place or move in a fixed direction, e.g., rightward or upward. While both formulations are essentially equivalent, the present approach leads us to consider discrete Fourier transforms, which eventually results in obtaining explicit expressions for the wave functions in terms of finite sums and allows the use of efficient algorithms based on the fast Fourier transform. The wave functions here obtained govern the probability of finding the particle at any given location but determine as well the exit-time probability of the walker from a fixed interval, which is also analyzed.

Optimization of trial wave functions for use in quantum Monte Carlo with application to LiH

Methods for both partial and full optimization of wavefunction parameters are explored, and these are applied to the LiH molecule. A partial optimization can be easily performed with little difficulty. But to perform a full optimization we must avoid a wrong minimum, and deal with linear-dependency, time step-dependency and ensemble-dependency problems. Five basis sets are examined. The optimized wavefunction with a 3-function set gives a variational energy of -7.998 + 0.005 a.u., which is comparable to that (-7.990 + 0.003) 1 of Reynold's unoptimized \fin ( a double-~ set of eight functions). The optimized wavefunction with a double~ plus 3dz2 set gives ari energy of -8.052 + 0.003 a.u., which is comparable with the fixed-node energy (-8.059 + 0.004)1 of the \fin. The optimized double-~ function itself gives an energy of -8.049 + 0.002 a.u. Each number above was obtained on a Bourrghs 7900 mainframe computer with 14 -15 hrs CPU time.

Application of Reptation Quantum Monte Carlo and Related Methods to LiH

This work investigates mathematical details and computational aspects of Metropolis-Hastings reptation quantum Monte Carlo and its variants, in addition to the Bounce method and its variants. The issues that concern us include the sensitivity of these algorithms' target densities to the position of the trial electron density along the reptile, time-reversal symmetry of the propagators, and the length of the reptile. We calculate the ground-state energy and one-electron properties of LiH at its equilibrium geometry for all these algorithms. The importance sampling is performed with a single-determinant large Slater-type orbitals (STO) basis set. The computer codes were written to exploit the efficiencies engineered into modern, high-performance computing software. Using the Bounce method in the calculation of non-energy-related properties, those represented by operators that do not commute with the Hamiltonian, is a novel work. We found that the unmodified Bounce gives good ground state energy and very good one-electron properties. We attribute this to its favourable time-reversal symmetry in its target density's Green's functions. Breaking this symmetry gives poorer results. Use of a short reptile in the Bounce method does not alter the quality of the results. This suggests that in future applications one can use a shorter reptile to cut down the computational time dramatically.

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.

Key Agreement Against Quantum Adversaries

Key agreement is a cryptographic scenario between two legitimate parties, who need to establish a common secret key over a public authenticated channel, and an eavesdropper who intercepts all their messages in order to learn the secret. We consider query complexity in which we count only the number of evaluations (queries) of a given black-box function, and classical communication channels. Ralph Merkle provided the first unclassified scheme for secure communications over insecure channels. When legitimate parties are willing to ask O(N) queries for some parameter N, any classical eavesdropper needs Omega(N^2) queries before being able to learn their secret, which is is optimal. However, a quantum eavesdropper can break this scheme in O(N) queries. Furthermore, it was conjectured that any scheme, in which legitimate parties are classical, could be broken in O(N) quantum queries. In this thesis, we introduce protocols à la Merkle that fall into two categories. When legitimate parties are restricted to use classical computers, we offer the first secure classical scheme. It requires Omega(N^{13/12}) queries of a quantum eavesdropper to learn the secret. We give another protocol having security of Omega(N^{7/6}) queries. Furthermore, for any k>= 2, we introduce a classical protocol in which legitimate parties establish a secret in O(N) queries while the optimal quantum eavesdropping strategy requires Theta(N^{1/2+k/{k+1}}) queries, approaching Theta(N^{3/2}) when k increases. When legitimate parties are provided with quantum computers, we present two quantum protocols improving on the best known scheme before this work. Furthermore, for any k>= 2, we give a quantum protocol in which legitimate parties establish a secret in O(N) queries while the optimal quantum eavesdropping strategy requires Theta(N^{1+{k}/{k+1}})} queries, approaching Theta(N^{2}) when k increases.

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.