Optimization through quantum annealing: theory and some applications

Quantum annealing is a promising tool for solving optimization problems, similar in some ways to the traditional ( classical) simulated annealing of Kirkpatrick et al. Simulated annealing takes advantage of thermal fluctuations in order to explore the optimization landscape of the problem at hand, whereas quantum annealing employs quantum fluctuations. Intriguingly, quantum annealing has been proved to be more effective than its classical counterpart in many applications. We illustrate the theory and the practical implementation of both classical and quantum annealing - highlighting the crucial differences between these two methods - by means of results recently obtained in experiments, in simple toy-models, and more challenging combinatorial optimization problems ( namely, Random Ising model and Travelling Salesman Problem). The techniques used to implement quantum and classical annealing are either deterministic evolutions, for the simplest models, or Monte Carlo approaches, for harder optimization tasks. We discuss the pro and cons of these approaches and their possible connections to the landscape of the problem addressed.

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.

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.

Variational Wigner-Kirkwood approach to relativistic mean field theory

The recently developed variational Wigner-Kirkwood approach is extended to the relativistic mean field theory for finite nuclei. A numerical application to the calculation of the surface energy coefficient in semi-infinite nuclear matter is presented. The new method is contrasted with the standard density functional theory and the fully quantal approach.

Effects of new nonlinear couplings in relativistic effective field theory

We extend the relativistic mean field theory model of Sugahara and Toki by adding new couplings suggested by modern effective field theories. An improved set of parameters is developed with the goal to test the ability of the models based on effective field theory to describe the properties of finite nuclei and, at the same time, to be consistent with the trends of Dirac-Brueckner-Hartree-Fock calculations at densities away from the saturation region. We compare our calculations with other relativistic nuclear force parameters for various nuclear phenomena.

Compression of polymer brushes: quantitative comparison of self-consistent field theory with experiment

The self-consistent field theory (SCFT) prediction for the compression force between two semi-dilute polymer brushes is compared to the benchmark experiments of Taunton et al. [Nature, 1988, 332, 712]. The comparison is done with previously established parameters, and without any fitting parameters whatsoever. The SCFT provides a significant quantitative improvement over the classical strong-stretching theory (SST), yielding excellent quantitative agreement with the experiment. Contrary to earlier suggestions, chain fluctuations cannot be ignored for normal experimental conditions. Although the analytical expressions of SST provide invaluable aids to understanding the qualitative behavior of polymeric brushes, the numerical SCFT is necessary in order to provide quantitatively accurate predictions.

Strong-segregation limit of the self-consistent field theory for diblock copolymer melts

The self-consistent field theory (SCFT) introduced by Helfand for diblock copolymer melts is expected to converge to the strong-segregation theory (SST) of Semenov in the asymptotic limit, $\chi N \rightarrow \infty$. However, past extrapolations of the lamellar/cylinder and cylinder/sphere phase boundaries, within the standard unit-cell approximation, have cast some doubts on whether or not this is actually true. Here we push the comparison further by extending the SCFT calculations to $\chi N = 512,000$, by accounting for exclusion zones in the coronae of the cylindrical and spherical unit cells, and by examining finite-segregation corrections to SST. In doing so, we provide the first compelling evidence that SCFT does indeed reduce to SST.

Self-consistent field theory for diblock copolymers grafted to a sphere

An efficient numerical self-consistent field theory (SCFT) algorithm is developed for treating structured polymers on spherical surfaces. The method solves the diffusion equations of SCFT with a pseudospectral approach that combines a spherical-harmonics expansion for the angular coordinates with a modified real-space Crank–Nicolson method for the radial direction. The self-consistent field equations are solved with Anderson-mixing iterations using dynamical parameters and an alignment procedure to prevent angular drift of the solution. A demonstration of the algorithm is provided for thin films of diblock copolymer grafted to the surface of a spherical core, in which the sequence of equilibrium morphologies is predicted as a function of diblock composition. The study reveals an array of interesting behaviors as the block copolymer pattern is forced to adapt to the finite surface area of the sphere.