Theoretical and experimental studies on quantum correlations and memory effects in composite quantum systems.

Mahdavipour, Kobra (2024). Theoretical and experimental studies on quantum correlations and memory effects in composite quantum systems. Thèse. Italie, Québec, Università degli Studi di Palermo / Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en technologies des communications et en sciences de l'énergie et des matériaux, 114 p.

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Résumé

Cette thèse doctorale présente des recherches novatrices sur l’exploration théorique et expérimentale des corrélations quantiques et des effets de mémoire dans les systèmes quantiques composites. Le travail est divisé en deux parties principales : la première partie étudie l’utilisation des corrélations quantiques dans des systèmes quantiques identiques dans le cadre de l’information quantique, tandis que la deuxième partie propose un nouvel indicateur de non-markovianité et évalue sa validité et son efficacité dans divers systèmes.

La première partie met en avant l’indistinguabilité des qubits identiques en tant que ressource quantique fondamentale pouvant être exploitée dans le cadre des opérations localisées spatialement et communication classique (sOLCC) pour générer de l’intrication de manière conditionnelle. Ce schéma probabiliste et contrôlable se compose de trois étapes : l’initialisation, la déformation et la post-sélection, permettant de générer différentes classes d’états intriqués multipartites à partir d’un état produit de N qubits identiques spatialement distinguables. En utilisant des représentations basées sur des graphes, ces schémas sont traduits en graphes orientés colorés, complexes et pondérés correspondant à des configurations expérimentales spécifiques. De plus, l’analyse explore l’indistinguabilité d’un point de vue opérationnel, en mettant l’accent sur son rôle en métrologie quantique pour l’estimation de phase améliorée par des moyens quantiques, utilisant un état de type NOON (N=2) comme sonde. Elle démontre également comment les marches quantiques peuvent permettre d’obtenir des mesures optimales pour des problèmes de détection de phase. Enfin, l’étude examine les dynamiques de marches quantiques inhomogènes contrôlables expérimentalement, servant de plateforme pour étudier les effets du désordre cohérent sur les corrélations quantiques entre photons indistinguables, offrant ainsi des perspectives sur les systèmes quantiques dynamiques.

La deuxième partie introduit un nouvel indicateur de non-markovianité et examine sa validité et son efficacité à travers divers exemples. Inspiré par l’observation que les effets non-markoviens peuvent accélérer la dynamique des systèmes et que les quantificateurs de vitesse statistique quantique peuvent déterminer la limite du temps d’évolution, un nouvel indicateur est proposé pour caractériser le comportement non-markovien des systèmes quantiques ouverts. Cet indicateur est basé sur le taux de variation positif de la vitesse de Hilbert-Schmidt (HSS), une forme spécifique de vitesse statistique quantique. Un avantage majeur de cet indicateur est qu’il ne nécessite pas la diagonalisation de la matrice densité évoluée du système. Son efficacité est testée dans des systèmes de faible et de haute dimension ainsi que dans des systèmes quantiques ouverts à plusieurs qubits. En outre, l’étude démontre que l’indicateur basé sur la HSS constitue un outil fiable pour évaluer et détecter les effets de mémoire globale dans les canaux corrélés, unitales et non-unitales, avec des densités spectrales bruyantes variables. Enfin, elle explore l’impact des corrélations classiques entre des séquences de canaux quantiques bruyants sur l’effet de mémoire non-markovienne.

Les contributions de cette thèse représentent une avancée significative dans le domaine de linformation quantique, en améliorant notre compréhension du rôle de lindistinguabilité dans les phénomènes quantiques et en proposant un nouvel indicateur de non-markovianité offrant des outils pratiques pour la caractérisation des effets de mémoire dans les systèmes quantiques ouverts. Ces résultats apportent des connaissances fondamentales sur la dynamique quantique et ouvrent des perspectives prometteuses pour le développement des technologies quantiques futures.


This doctoral dissertation presents groundbreaking research on the theoretical and experimental exploration of quantum correlations and memory effects in composite quantum systems. The work is divided into two main parts: Part I investigates the utilization of quantum correlations in identical quantum systems within a quantum information framework, while Part II introduces a novel witness of non-Markovianity and evaluates its validity and efficiency across various systems.

Part I highlights the indistinguishability of identical qubits as a fundamental quantum resource that can be harnessed within the spatially localized operations and classical communication (sLOCC) framework to conditionally generate entanglement. This probabilistic and controllable scheme comprises three stepsinitialization, deformation, and postselectionenabling the generation of different classes of multipartite entangled states starting from a product state of N spatially distinguishable identical qubits. Using graph-based representations, these schemes are mapped onto colored, complex, and weighted digraphs corresponding to specific experimental setups. Additionally, the analysis explores indistinguishability from an operational perspective, emphasizing its role in quantum metrology for quantum-enhanced phase estimation using a NOON-like state (N=2) as a probe. It also demonstrates how quantum walks can achieve optimal phase sensing measurements. Lastly, the study examines experimentally controllable inhomogeneous quantum walk dynamics as a platform for investigating the effects of coherent disorder on quantum correlations between indistinguishable photons, providing insights into dynamic quantum systems.

Part II introduces a new witness of non-Markovianity and examines its validity and efficiency through various examples. Inspired by the observation that non-Markovian effects can accelerate system dynamics and that quantum statistical speed quantifiers can determine the evolution time limit, a novel witness is proposed to characterize the non-Markovian behavior of open quantum systems. This witness is based on the positive change rate of the Hilbert-Schmidt speed (HSS), a specific form of quantum statistical speed. A significant advantage of this witness is that it does not require the diagonalization of the system’s evolved density matrix. Its efficiency is tested across low- and high-dimensional systems as well as multiqubit open quantum systems. Furthermore, the study demonstrates the HSS-based witness as a reliable tool for evaluating and detecting global memory effects in both unital and non-unital correlated channels with varying noisy spectral densities. Additionally, it explores the impact of classical correlations between sequences of noisy quantum channels on the non-Markovian memory effect.

The contributions made in this thesis significantly advance the field of quantum information processing by enhancing our understanding of the role of indistinguishability in quantum phenomena and introducing a novel witness for non- Markovianity that provides practical tools for characterizing memory effects in open quantum systems. Together, these findings offer fundamental insights into quantum dynamics and open promising avenues for the development of future quantum technologies.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Lo Franco, Rosario
Co-directeurs de mémoire/thèse:	Morandotti, Roberto
Mots-clés libres:	-
Centre:	Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt:	16 janv. 2026 13:39
Dernière modification:	16 janv. 2026 13:39
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/16625

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