Characterizing and protecting quantum resources in composite quantum systems.

Nosrati, Farzam (2023). Characterizing and protecting quantum resources in composite quantum systems. Thèse. Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique / Università degli Studi di Palermo, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, 179 p.

Prévisualisation

PDF Télécharger (29MB) | Prévisualisation

Résumé

Cette these de doctorat en cours presente des recherches originales qui tournent autour de la caracterisation et de la preservation des ressources quantiques dans les systemes quantiques composites. Dans la Partie I, l’enquete se concentre sur le concept d’indiscernabilite entre particules identiques - une ressource inherente cruciale pour le traitement de l’information quantique. Dans la Partie II, la these explore le controle dynamique des particules indiscernables, en mettant l’accent specifique sur les photons, alors qu’ils se propagent a travers diverses configurations quantiques de photonique, lesquelles servent de potentiels processeurs quantiques bases sur le photon pour faire progresser les technologies quantiques. La premiere partie met l’accent sur l’exploration de l’indiscernabilite des particules identiques en tant que ressource quantique precieuse pour le traitement de l’information. Elle introduit une mesure generalisee de l’entrelacement applicable a des etats arbitraires de deux qubits identiques, mettant en evidence la capacite de l’indiscernabilite quantique a generer un entrelacement sans bruit. De plus, elle propose un cadre theorique et experimental pour les portes d’entrelacement a distance, permettant la teleportation avec une fidelite depassant le seuil classique en manipulant l’indiscernabilite spatiale. En outre, elle etudie la resilience de l’entrelacement en presence d’indiscernabilite spatiale pendant la dynamique des systemes ouverts, demontrant sa robustesse face a differentes sources de bruit environnemental. La these presente egalement une methode de distillation de l’entrelacement qui exploite le chevauchement spatial, etablissant des conditions pour une distillation d’entrelacement maximale et examinant l’impact des parametres de bruit et des temperatures locales. La deuxieme partie se concentre sur le modele quantique base sur la photonique pour les phenomenes de transport quantique et les taches d’information quantique. Le memoire presente un protocole d’investigation pour detecter le desordre dans les marches quantiques, offrant de precieuses perspectives sur les phenomenes de transport anormaux et la localisation d’Anderson. De plus, elle explore le role du desordre controle dans l’amelioration des correlations quantiques, demontrant le potentiel d’amelioration des correlations quantiques entre des modes de reseau selectionnes grace au reglage minutieux de configurations de desordre appropriees. Enfin, la these presente un processeur de marches quantiques evolutif avec des reseaux photoniques temporels. Ce processeur fonctionne sur un systeme de boucle de fibre et permet la generation, la manipulation et le test d’entrelacements a plusieurs dimensions de boites de temps. Cette approche novatrice etablit une preuve de principe pour la preparation et l’utilisation d’etats intriques dans des systemes a haute dimension en controlant l’interference quantique a deux photons a haute dimension. Les contributions apportees par cette these font progresser considerablement le domaine du traitement de l’information quantique. Elles ameliorent notre comprehension de l’importance de l’indiscernabilite dans divers phenomenes quantiques et fournissent des cadres pratiques pour utiliser l’indiscernabilite en tant que ressource precieuse. Ces decouvertes offrent des perspectives fondamentales pour le traitement de l’information quantique et ouvrent des voies prometteuses pour la recherche future dans le developpement des technologies quantiques.

This ongoing Ph.D. thesis presents original research that revolves around the characterization and preservation of quantum resources in composite quantum systems. In Part I, the investigation centers on the concept of indistinguishability among identical particles – a crucial inherent resource for quantum information processing. In Part II, the thesis delves into the dynamic control of indistinguishable particles, with a specific focus on photons, as they propagate through various quantum photonic setups, which serve as potential photonic-based quantum information processors for advancing quantum technologies. Part I focuses on the exploration of the indistinguishability of identical particles as a valuable quantum resource for information processing. It introduces a generalized entanglement measure applicable to arbitrary states of two identical qubits, highlighting the capability of quantum indistinguishability to generate noise-free entanglement. Additionally, it proposes a theoretical and experimental framework for remote entangling gates, enabling teleportation with fidelities that surpass classical thresholds by manipulating spatial indistinguishability. Furthermore, it investigates the resilience of entanglement in the presence of spatial indistinguishability during open system dynamics, showcasing its robustness against different environmental noise sources. The thesis also presents an entanglement distillation method that leverages spatial overlap, establishing conditions for maximum entanglement distillation and examining the impact of noise parameters and local temperatures. Part II focuses on the photonic-based quantum model for quantum transport phenomena and quantum information tasks. The thesis introduces a probing protocol to detect disorder in quantum walks, offering valuable insights into anomalous transport phenomena and Anderson localization. Furthermore, it explores the role of controlled disorder in enhancing quantum correlations between indistinguishable photons, demonstrating the potential for improved quantum correlations between selected network modes through the careful adjustment of suitable disorder configurations. Lastly, the thesis presents a scalable quantum walk processor with temporal photonic lattices. This processor operates on a fiber-loop system and enables the generation and processing of high-dimensional time-bin entanglement. This novel approach establishes a proof-of-principle for preparing and harnessing entangled states in high-dimensional systems by controlling high-dimensional bi-photon quantum interference. The contributions made in this thesis significantly advance the field of quantum information processing. They enhance our understanding of the importance of indistinguishability in various quantum phenomena and provide practical frameworks for utilizing indistinguishability as a valuable resource. These findings provide fundamental insights for quantum information processing and open up promising avenues for future research within the development of quantum technologies.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Lo Franco, Rosario
Co-directeurs de mémoire/thèse:	Morandotti, Roberto
Mots-clés libres:	NA
Centre:	Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt:	25 janv. 2024 20:49
Dernière modification:	25 janv. 2024 20:49
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/14144

Gestion Actions (Identification requise)

Modifier la notice