par Pauwels, Jef 
Président du jury Oreshkov, Ognyan
Promoteur Pironio, Stefano
Publication Non publié, 2023-06-30
Président du jury Oreshkov, Ognyan
Promoteur Pironio, Stefano
Publication Non publié, 2023-06-30
Thèse de doctorat
| Résumé : | Entanglement is a defining property of quantum theory and plays a central role in the phenomenon of non-locality, which is revealed by the violation of Bell inequalities. Importantly, this allows us to study and characterize quantum systems in a device-independent way, i.e. without making any assumptions about the devices used to generate and manipulate quantum states, but only from the observed correlations between measurement results. In addition to entanglement, another mechanism for establishing correlations between quantum systems is direct communication between them. Similar to the Bell scenario, one can study correlations generated by quantum communication in prepare-and-measure scenarios via a semi-device-independent approach, where certain minimal assumptions about the experimental setup are assumed. A third way to establish correlations between quantum systems is through the combined effect of entanglement and quantum communication. Although many quantum information protocols use these two mechanisms, little work has been done to characterize the resulting correlations.This thesis initiates the systematic study of entanglement-assisted prepare-and-measure correlations. We develop a suite of tools that enable us to characterize correlations in such scenarios and apply those tools to solve relevant problems in quantum information.We construct novel, entanglement-robust, device-independent dimension witnesses and derive new resource inequalities. We adapt our tools to re-examine entanglement advantages in distributed classical communication tasks and identify a class of protocols that outperform the conventional protocols predominant in the literature.We also examine the challenges involved in experimental implementations of entanglement-assisted quantum communication on photonic platforms. Our theoretical and experimental findings show how information-theoretically relevant tasks beyond the boosting of channel capacities can be accomplished using qubit communication and simple optical elements like partial Bell-state analyzers or even product measurements, achieving strong and even optimal correlations that go beyond 2-bit models.Finally, we study some of the shortcomings of relying on an assumption of a fixed Hilbert space dimension for certification. Physical systems in actual experiments can frequently not faithfully be described by finite dimensional systems and we find that even small deviations from the exact dimension can significantly impact semi-device-independent applications. We introduce the concept of `almost qudits' as a framework to address these issues. |
| L'intrication est une propriété fondamentale des systèmes quantiques et joue un rôle central dans le phénomène de non-localité mis en évidence par la violation des inégalités de Bell. Elle permet notamment d'étudier et de caractériser les systèmes quantiques de manière `device-independent', c'est-à-dire sans faire d'hypothèses sur les appareils utilisés pour générer et manipuler des états quantiques, mais uniquement à partir des corrélations observées entre résultats de mesures. Outre l'intrication, un autre mécanisme pour établir des corrélations entre systèmes quantiques, est la communication directe entre eux. De manière analogue au scénario de Bell, il est possible d'étudier les corrélations générées par communication quantique dans les scénarios de type `prepare-and-measure' via une approche `semi-device-independent' où on suppose certaines hypothèses minimales sur le dispositif expérimental. Une troisième façon d'établir des corrélations entre systèmes quantiques est par l'effet combiné de l'intrication et de la communication quantique. Bien que de nombreux protocoles d'information quantique utilisent ces deux mécanismes, peu de travaux se sont intéressés à caractériser les corrélations qui en résultent.Nous initions dans cette thèse l'étude systématique des corrélations obtenues par l'effet conjoint de l'intrication et de la communication quantique dans des scenarios de type `prepare-and-measure'. Nous développons une série d'outils qui nous permettent de caractériser ces corrélations et utilisons ces outils pour résoudre des problèmes associés en informatique quantique.Nous construisons de nouveaux témoins de dimension `device-independent' robustes à l'intrication, et étudions les relations entre communication et intrications vues comme des ressources. Nous adaptons nos outils pour réexaminer les avantages de l'intrication en présence de communication classique et identifions une classe de protocoles qui surpassent les protocoles conventionnels prédominants dans la littérature.Nous examinons également les défis posés par la mise en œuvre expérimentale de la communication quantique assistée par intrication sur des plateformes photoniques. Nos résultats théoriques et expérimentaux montrent comment un avantage peut être obtenu dans des tâches de communication quantique en exploitant l'intrication via des éléments optiques simples implémentant des mesures de Bell partielles ou même des mesures produit.Finalement, nous nous intéressons à l'hypothèse de dimension dans l'approche `semi-device-independent'. L'hypothèse que les systèmes physiques dans les expériences réelles occupent un sous-espace de dimension donnée n'est pas toujours justifiée et nous constatons que même de petits écarts par rapport à cette hypothèse peuvent avoir un impact significatif sur les applications `semi-device-indepent'. Nous introduisons le concept de `almost qudits' pour aborder ce problème. |
