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.

CB-norm estimates for maps between noncommutative Lp-spaces and quantum channel theory.

In the first part of this work, we show how certain techniques from quantum information theory can be used in order to obtain very sharp embeddings between noncommutative Lp-spaces. Then, we use these estimates to study the classical capacity with restricted assisted entanglement of the quantum erasure channel and the quantum depolarizing channel. In particular, we exactly compute the capacity of the first one and we show that certain nonmultiplicative results hold for the second one.

On the distributed compression of quantum information

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.

Self-consistent non-Markovian theory of a quantum-state evolution for quantum-information processing

We study non-Markovian decoherence phenomena by employing projection-operator formalism when a quantum system (a quantum bit or a register of quantum bits) is coupled to a reservoir. By projecting out the degree of freedom of the reservoir, we derive a non-Markovian master equation for the system, which is reduced to a Lindblad master equation in Markovian limit, and obtain the operator sum representation for the time evolution. It is found that the system is decohered slower in the non- Markovian reservoir than the Markovian because the quantum information of the system is memorized in the non-Markovian reservoir. We discuss the potential importance of non-Markovian reservoirs for quantum-information processing.

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.

A quantum information retrieval approach to memory

As computers approach the physical limits of information storable in memory, new methods will be needed to further improve information storage and retrieval. We propose a quantum inspired vector based approach, which offers a contextually dependent mapping from the subsymbolic to the symbolic representations of information. If implemented computationally, this approach would provide exceptionally high density of information storage, without the traditionally required physical increase in storage capacity. The approach is inspired by the structure of human memory and incorporates elements of Gardenfors’ Conceptual Space approach and Humphreys et al.’s matrix model of memory.

Fluid registration of diffusion tensor images using information theory

We apply an information-theoretic cost metric, the symmetrized Kullback-Leibler (sKL) divergence, or $J$-divergence, to fluid registration of diffusion tensor images. The difference between diffusion tensors is quantified based on the sKL-divergence of their associated probability density functions (PDFs). Three-dimensional DTI data from 34 subjects were fluidly registered to an optimized target image. To allow large image deformations but preserve image topology, we regularized the flow with a large-deformation diffeomorphic mapping based on the kinematics of a Navier-Stokes fluid. A driving force was developed to minimize the $J$-divergence between the deforming source and target diffusion functions, while reorienting the flowing tensors to preserve fiber topography. In initial experiments, we showed that the sKL-divergence based on full diffusion PDFs is adaptable to higher-order diffusion models, such as high angular resolution diffusion imaging (HARDI). The sKL-divergence was sensitive to subtle differences between two diffusivity profiles, showing promise for nonlinear registration applications and multisubject statistical analysis of HARDI data.

Information theory and one-dimensional disordered conductors

A novel method is proposed to treat the problem of the random resistance of a strictly one-dimensional conductor with static disorder. It is suggested, for the probability distribution of the transfer matrix of the conductor, the distribution of maximum information-entropy, constrained by the following physical requirements: 1) flux conservation, 2) time-reversal invariance and 3) scaling, with the length of the conductor, of the two lowest cumulants of ζ, where = sh2ζ. The preliminary results discussed in the text are in qualitative agreement with those obtained by sophisticated microscopic theories.

Information theory and resistance fluctuations in one-dimensional disordered conductors

A novel method is proposed to treat the problem of the random resistance of a strictly one-dimensional conductor with static disorder. For the probability distribution of the transfer matrix R of the conductor we propose a distribution of maximum information entropy, constrained by the following physical requirements: (1) flux conservation, (2) time-reversal invariance, and (3) scaling with the length of the conductor of the two lowest cumulants of ω, where R=exp(iω→⋅Jbhat). The preliminary results discussed in the text are in qualitative agreement with those obtained by sophisticated microscopic theories.

The Spin-Statistics Relation and Noncommutative Quantum Field Theory

The efforts of combining quantum theory with general relativity have been great and marked by several successes. One field where progress has lately been made is the study of noncommutative quantum field theories that arise as a low energy limit in certain string theories. The idea of noncommutativity comes naturally when combining these two extremes and has profound implications on results widely accepted in traditional, commutative, theories. In this work I review the status of one of the most important connections in physics, the spin-statistics relation. The relation is deeply ingrained in our reality in that it gives us the structure for the periodic table and is of crucial importance for the stability of all matter. The dramatic effects of noncommutativity of space-time coordinates, mainly the loss of Lorentz invariance, call the spin-statistics relation into question. The spin-statistics theorem is first presented in its traditional setting, giving a clarifying proof starting from minimal requirements. Next the notion of noncommutativity is introduced and its implications studied. The discussion is essentially based on twisted Poincaré symmetry, the space-time symmetry of noncommutative quantum field theory. The controversial issue of microcausality in noncommutative quantum field theory is settled by showing for the first time that the light wedge microcausality condition is compatible with the twisted Poincaré symmetry. The spin-statistics relation is considered both from the point of view of braided statistics, and in the traditional Lagrangian formulation of Pauli, with the conclusion that Pauli's age-old theorem stands even this test so dramatic for the whole structure of space-time.

Experimental implementation of a three qubit quantum game with corrupt source using nuclear magnetic resonance quantum information processor

In a three player quantum `Dilemma' game each player takes independent decisions to maximize his/her individual gain. The optimal strategy in the quantum version of this game has a higher payoff compared to its classical counterpart. However, this advantage is lost if the initial qubits provided to the players are from a noisy source. We have experimentally implemented the three player quantum version of the `Dilemma' game as described by Johnson, [N.F. Johnson, Phys. Rev. A 63 (2001) 020302(R)] using nuclear magnetic resonance quantum information processor and have experimentally verified that the payoff of the quantum game for various levels of corruption matches the theoretical payoff. (c) 2007 Elsevier Inc. All rights reserved.