Quantum nonlocality, cryptography and complexity

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

ROM-based computation: Quantum versus classical

We introduce a model of computation based on read only memory (ROM), which allows us to compare the space-efficiency of reversible, error-free classical computation with reversible, error-free quantum computation. We show that a ROM-based quantum computer with one writable qubit is universal, whilst two writable bits are required for a universal classical ROM-based computer. We also comment on the time-efficiency advantages of quantum computation within this model.

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.

Quantum dynamics as a physical resource

How useful is a quantum dynamical operation for quantum information processing? Motivated by this question, we investigate several strength measures quantifying the resources intrinsic to a quantum operation. We develop a general theory of such strength measures, based on axiomatic considerations independent of state-based resources. The power of this theory is demonstrated with applications to quantum communication complexity, quantum computational complexity, and entanglement generation by unitary operations.

Quantum computing and polynomial equations over the finite field Z(2)

What is the computational power of a quantum computer? We show that determining the output of a quantum computation is equivalent to counting the number of solutions to an easily computed set of polynomials defined over the finite field Z(2). This connection allows simple proofs to be given for two known relationships between quantum and classical complexity classes, namely BQP subset of P-#P and BQP subset of PP.

Optimal control, geometry, and quantum computing

We prove upper and lower bounds relating the quantum gate complexity of a unitary operation, U, to the optimal control cost associated to the synthesis of U. These bounds apply for any optimal control problem, and can be used to show that the quantum gate complexity is essentially equivalent to the optimal control cost for a wide range of problems, including time-optimal control and finding minimal distances on certain Riemannian, sub-Riemannian, and Finslerian manifolds. These results generalize the results of [Nielsen, Dowling, Gu, and Doherty, Science 311, 1133 (2006)], which showed that the gate complexity can be related to distances on a Riemannian manifold.

Multi-Prover and parallel repetition in non-classical interactive games

Depuis l’introduction de la mécanique quantique, plusieurs mystères de la nature ont trouvé leurs explications. De plus en plus, les concepts de la mécanique quantique se sont entremêlés avec d’autres de la théorie de la complexité du calcul. De nouvelles idées et solutions ont été découvertes et élaborées dans le but de résoudre ces problèmes informatiques. En particulier, la mécanique quantique a secoué plusieurs preuves de sécurité de protocoles classiques. Dans ce m´emoire, nous faisons un étalage de résultats récents de l’implication de la mécanique quantique sur la complexité du calcul, et cela plus précisément dans le cas de classes avec interaction. Nous présentons ces travaux de recherches avec la nomenclature des jeux à information imparfaite avec coopération. Nous exposons les différences entre les théories classiques, quantiques et non-signalantes et les démontrons par l’exemple du jeu à cycle impair. Nous centralisons notre attention autour de deux grands thèmes : l’effet sur un jeu de l’ajout de joueurs et de la répétition parallèle. Nous observons que l’effet de ces modifications a des conséquences très différentes en fonction de la théorie physique considérée.

Structure de la distribution de probabilités de l'état GHZ sous l'action locale de transformations du groupe U(2)

Dans ce mémoire, je démontre que la distribution de probabilités de l'état quantique Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) sous l'action locale de mesures de von Neumann indépendantes sur chaque qubit suit une distribution qui est une combinaison convexe de deux distributions. Les coefficients de la combinaison sont reliés aux parties équatoriales des mesures et les distributions associées à ces coefficients sont reliées aux parties réelles des mesures. Une application possible du résultat est qu'il permet de scinder en deux la simulation de l'état GHZ. Simuler, en pire cas ou en moyenne, un état quantique comme GHZ avec des ressources aléatoires, partagées ou privées, et des ressources classiques de communication, ou même des ressources fantaisistes comme les boîtes non locales, est un problème important en complexité de la communication quantique. On peut penser à ce problème de simulation comme un problème où plusieurs personnes obtiennent chacune une mesure de von Neumann à appliquer sur le sous-système de l'état GHZ qu'il partage avec les autres personnes. Chaque personne ne connaît que les données décrivant sa mesure et d'aucune façon une personne ne connaît les données décrivant la mesure d'une autre personne. Chaque personne obtient un résultat aléatoire classique. La distribution conjointe de ces résultats aléatoires classiques suit la distribution de probabilités trouvée dans ce mémoire. Le but est de simuler classiquement la distribution de probabilités de l'état GHZ. Mon résultat indique une marche à suivre qui consiste d'abord à simuler les parties équatoriales des mesures pour pouvoir ensuite savoir laquelle des distributions associées aux parties réelles des mesures il faut simuler. D'autres chercheurs ont trouvé comment simuler les parties équatoriales des mesures de von Neumann avec de la communication classique dans le cas de 3 personnes, mais la simulation des parties réelles résiste encore et toujours.

Complexité de la communication sur un canal avec délai

Nous introduisons un nouveau modèle de la communication à deux parties dans lequel nous nous intéressons au temps que prennent deux participants à effectuer une tâche à travers un canal avec délai d. Nous établissons quelques bornes supérieures et inférieures et comparons ce nouveau modèle aux modèles de communication classiques et quantiques étudiés dans la littérature. Nous montrons que la complexité de la communication d’une fonction sur un canal avec délai est bornée supérieurement par sa complexité de la communication modulo un facteur multiplicatif d/ lg d. Nous présentons ensuite quelques exemples de fonctions pour lesquelles une stratégie astucieuse se servant du temps mort confère un avantage sur une implémentation naïve d’un protocole de communication optimal en terme de complexité de la communication. Finalement, nous montrons qu’un canal avec délai permet de réaliser un échange de bit cryptographique, mais que, par lui-même, est insuffisant pour réaliser la primitive cryptographique de transfert équivoque.

COMPLEXITY MEASURE: A QUANTUM INFORMATION APPROACH

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.

Lower bounds on the complexity of simulating quantum gates

We give a simple proof of a formula for the minimal time required to simulate a two-qubit unitary operation using a fixed two-qubit Hamiltonian together with fast local unitaries. We also note that a related lower bound holds for arbitrary n-qubit gates.

Experimental study of the quantum driven pendulum and its classical analog in atom optics

We present experimental results for the dynamics of cold atoms in a far detuned amplitude-modulated optical standing wave. Phase-space resonances constitute distinct peaks in the atomic momentum distribution containing up to 65% of all atoms resulting from a mixed quantum chaotic phase space. We characterize the atomic behavior in classical and quantum regimes and we present the applicable quantum and classical theory, which we have developed and refined. We show experimental proof that the size and the position of the resonances in phase space can be controlled by varying several parameters, such as the modulation frequency, the scaled well depth, the modulation amplitude, and the scaled Planck’s constant of the system. We have found a surprising stability against amplitude noise. We present methods to accurately control the momentum of an ensemble of atoms using these phase-space resonances which could be used for efficient phase-space state preparation.

H.264/AVC backward compatible Bit-Depth scalable video coding

As high dynamic range video is gaining popularity, video coding solutions able to efficiently provide both low and high dynamic range video, notably with a single bitstream, are increasingly important. While simulcasting can provide both dynamic range videos at the cost of some compression efficiency penalty, bit-depth scalable video coding can provide a better trade-off between compression efficiency, adaptation flexibility and computational complexity. Considering the widespread use of H.264/AVC video, this paper proposes a H.264/AVC backward compatible bit-depth scalable video coding solution offering a low dynamic range base layer and two high dynamic range enhancement layers with different qualities, at low complexity. Experimental results show that the proposed solution has an acceptable rate-distortion performance penalty regarding the HDR H.264/AVC single-layer coding solution.

Complexity and Bounded Rationality in Individual Decision Problemsing.

I develop a model of endogenous bounded rationality due to search costs, arising implicitly from the problems complexity. The decision maker is not required to know the entire structure of the problem when making choices but can think ahead, through costly search, to reveal more of it. However, the costs of search are not assumed exogenously; they are inferred from revealed preferences through her choices. Thus, bounded rationality and its extent emerge endogenously: as problems become simpler or as the benefits of deeper search become larger relative to its costs, the choices more closely resemble those of a rational agent. For a fixed decision problem, the costs of search will vary across agents. For a given decision maker, they will vary across problems. The model explains, therefore, why the disparity, between observed choices and those prescribed under rationality, varies across agents and problems. It also suggests, under reasonable assumptions, an identifying prediction: a relation between the benefits of deeper search and the depth of the search. As long as calibration of the search costs is possible, this can be tested on any agent-problem pair. My approach provides a common framework for depicting the underlying limitations that force departures from rationality in different and unrelated decision-making situations. Specifically, I show that it is consistent with violations of timing independence in temporal framing problems, dynamic inconsistency and diversification bias in sequential versus simultaneous choice problems, and with plausible but contrasting risk attitudes across small- and large-stakes gambles.

Information security and the enforcement of secrecy : the practical application of quantum key distribution

There is no doubt about the necessity of protecting digital communication: Citizens are entrusting their most confidential and sensitive data to digital processing and communication, and so do governments, corporations, and armed forces. Digital communication networks are also an integral component of many critical infrastructures we are seriously depending on in our daily lives. Transportation services, financial services, energy grids, food production and distribution networks are only a few examples of such infrastructures. Protecting digital communication means protecting confidentiality and integrity by encrypting and authenticating its contents. But most digital communication is not secure today. Nevertheless, some of the most ardent problems could be solved with a more stringent use of current cryptographic technologies. Quite surprisingly, a new cryptographic primitive emerges from the ap-plication of quantum mechanics to information and communication theory: Quantum Key Distribution. QKD is difficult to understand, it is complex, technically challenging, and costly-yet it enables two parties to share a secret key for use in any subsequent cryptographic task, with an unprecedented long-term security. It is disputed, whether technically and economically fea-sible applications can be found. Our vision is, that despite technical difficulty and inherent limitations, Quantum Key Distribution has a great potential and fits well with other cryptographic primitives, enabling the development of highly secure new applications and services. In this thesis we take a structured approach to analyze the practical applicability of QKD and display several use cases of different complexity, for which it can be a technology of choice, either because of its unique forward security features, or because of its practicability.