Dans cette thèse, nous généralisons la capacité à zéro-erreur de Shannon. Nous proposons une nouvelle capacité pour la transmission d'information classique à travers les canaux quantiques. La capacité à zéro-erreur quantique (CZEQ) a été définie comme étant le supremum des taux dans lesquels l'information classique peut être transmise à travers un canal quantique avec probabilité d'erreur égale à zéro. Le protocole de communication restreint les mots de code à des produits tensoriels d'états quantiques d'entrée, tandis que des mesures collectives entre plusieurs sorties du canal sont permises. Ainsi, le protocole employé est similaire au protocole d'Holevo-Schumacher-Westmoreland. Le problème de calculer la CZEQ est formulé en utilisant des outils de la théorie des graphes. Cette définition équivalente est utilisée pour démontrer des propriétés d'états quantiques et des mesures qui atteignent la CZEQ. Nous démontrons que la capacité à zéro-erreur d'un canal quantique dans un espace de Hilbert de dimension $d$ peut toujours être atteinte par des ensembles d'états quantiques purs. Par rapport aux mesures, nous avons montré que des mesures de von Neumann collectives sont nécessaires et suffisantes pour atteindre la capacité. Nous analysons si la CZEQ est une généralisation non-triviale de la capacité à zéro-erreur de Shannon. Le terme ``non-triviale'' veut dire qu'il y a des canaux quantiques pour lesquels la capacité ne peut être atteinte qu'avec deux ou plus utilisations du canal, et que la capacité ne peut être atteinte que par des ensembles $\mcs$ contenants des états non-orthogonaux. Nous calculons la CZEQ de plusieurs canaux quantiques. En particulier, nous présentons un canal quantique pour lequel nous conjecturons que la CZEQ ne peut être atteinte que par un ensemble d'états quantiques non-orthogonaux et par un code de longueur deux ou plus. Finalement, nous démontrons que la CZEQ est bornée supérieurement par la capacité d'Holevo-Schumacher-Westmoreland.
Dans cette thèse, nous généralisons la capacité à zéro-erreur de Shannon. Nous proposons une nouvelle capacité pour la transmission d'information classique à travers les canaux quantiques. La capacité à zéro-erreur quantique (CZEQ) a été définie comme étant le supremum des taux dans lesquels l'information classique peut être transmise à travers un canal quantique avec probabilité d'erreur égale à zéro. Le protocole de communication restreint les mots de code à des produits tensoriels d'états quantiques d'entrée, tandis que des mesures collectives entre plusieurs sorties du canal sont permises. Ainsi, le protocole employé est similaire au protocole d'Holevo-Schumacher-Westmoreland. Le problème de calculer la CZEQ est formulé en utilisant des outils de la théorie des graphes. Cette définition équivalente est utilisée pour démontrer des propriétés d'états quantiques et des mesures qui atteignent la CZEQ. Nous démontrons que la capacité à zéro-erreur d'un canal quantique dans un espace de Hilbert de dimension d peut toujours être atteinte par des ensembles d'états quantiques purs. Par rapport aux mesures, nous avons montré que des mesures de von Neumann collectives sont nécessaires et suffisantes pour atteindre la capacité. Nous analysons si la CZEQ est une généralisation non-triviale de la capacité à zéro-erreur de Shannon. Le terme ``non-triviale'' veut dire qu'il y a des canaux quantiques pour lesquels la capacité ne peut être atteinte qu'avec deux ou plus utilisations du canal, et que la capacité ne peut être atteinte que par des ensembles \mcs contenants des états non-orthogonaux. Nous calculons la CZEQ de plusieurs canaux quantiques. En particulier, nous présentons un canal quantique pour lequel nous conjecturons que la CZEQ ne peut être atteinte que par un ensemble d'états quantiques non-orthogonaux et par un code de longueur deux ou plus. Finalement, nous démontrons que la CZEQ est bornée supérieurement par la capacité d'Holevo-Schumacher-Westmoreland.
Dans cette these, nous generalisons la capacite a zero-erreur de Shannon. Nous definissons la capacite a zero-erreur quantique (CZEQ) comme etant le supremum des taux dans lesquels l’information classique peut etre transmise a travers un canal quantique avec probabilite d’erreur egale a zero. Le protocole de communication restreint les mots de code a des produits tensoriels d’etats quantiques d’entree, tandis que des mesures collectives entre plusieurs sorties du canal sont permises. Le probleme de calculer la CZEQ est formule en utilisant des outils de la theorie des graphes. Nous demontrons que la capacite a zero-erreur d'un canal quantique dans un espace de Hilbert de dimension D peut toujours etre atteinte par des ensembles d’etats quantiques purs. Par rapport aux mesures, nous avons montre que des mesures de von Neumann collectives sont necessaires et suffisantes pour atteindre la capacite. Nous analysons si la CZEQ est une generalisation non-triviale de la capacite a zero-erreur de Shannon. Le terme “non-triviale” veut dire qu’il y a des canaux quantiques pour lesquels la capacite ne peut etre atteinte qu’avec deux ou plus utilisations du canal, et que la capacite ne peut etre atteinte que par des ensembles S contenants des etats non-orthogonaux. Nous calculons la CZEQ de plusieurs canaux quantiques. En particulier, nous presentons un canal quantique pour lequel nous conjecturons que la CZEQ ne peut etre atteinte que par un ensemble d’etats quantiques non-orthogonaux et par un code de longueur deux ou plus. Finalement, nous demontrons que la CZEQ est bornee superieurement par la capacite d’Holevo-Schumacher-Westmoreland.
La correction d'erreur est l'ensemble des techniques utilisees pour stocker, processer et transmettre de l'information de facon fiable dans un environnement bruite. La theorie de la correction d'erreur classique est fondee sur l'encodage redondant de l'information. L'un des buts principaux de cette theorie est de trouver des compromis optimaux entre la redondance, qu'on essaie de minimiser, et la tolerance au bruit, qu'on essaie de maximiser.
La theorie quantique de la correction d'erreur ne peut pas directement imiter les schemas redondants de la theorie classique parce qu'elle doit faire avec le theoreme de non-clonage: l'information quantique ne peut pas etre copiee. La correction d'erreur quantique est neanmoins possible en repartissant l'information sur un plus grand nombre d'elements de memoire quantique que necessaire. Dans la theorie de l'information quantique, la dilution de l'information remplace la redondance parce que la copie est interdite par les lois de la mecanique quantique.
Au dela de cette difference conceptuelle, la correction d'erreur quantique a beaucoup herite de son equivalent classique. Dans cette these nous nous interessons a une classe de codes correcteurs quantiques dont l'equivalent classique a ete definie en 1961 par Gallager. A cette epoque l'information quantique n'etait meme pas encore un domaine de recherche. Cette classe est la famille des codes LDPC (low density parity check). De facon informelle un code est dit LDPC si les contraintes imposees pour assurer la redondance dans le cas classique ou la dilution dans le cas quantique sont locales.
Plus precisement cette these se concentre sur un sous-ensemble des codes correcteurs quantiques LDPC: les codes correcteurs quantiques homologiques. Ces codes tiennent leur nom du domaine mathematique de l'homologie, dont les objets d'etude sont des suites d'applications lineaires telles que le noyau d'une application contienne l'image de son voisin de gauche. Initialement introduite pour etudier la topologie de formes geometriques, la theorie de l'homologie comprend maintenant egalement des branches plus algebriques, dont le centre d'interet est plus abstrait et combinatoire. Les codes homologiques ont suivi la meme trajectoire: ils ont ete introduits en 1996 par Kitaev avec un code quantique qui a la forme d'un tore. Ils forment maintenant une vaste famille de codes quantiques LDPC, certains plus inspires de formes geometriques que d'autres. Des codes quantiques homologiques ont ete construits a partir de geometries spheriques, euclidiennes et hyperboliques, a partir d'objets de dimension 2 et de dimension 4, a partir d'objets de dimension croissante et non bornee et a partir de produits d'hypergraphes et homologiques.
Apres avoir introduit des concepts generaux de l'information quantique dans le premier chapitre de cette these, nous nous concentrons dans les deux chapitres suivants sur des familles de code quantique fondee sur des objets hyperboliques de dimension 4. Nous insistons sur l'interconnexion entre leur cote geometrique, donne par des varietes, et leur cote cote combinatoire, donne par des polytopes abstraits. Nous utilisons ces deux aspects pour analyser les codes quantiques correspondants. Dans le quatrieme et dernier chapitre nous analysons une famille de codes quantiques fondee sur des objets spheriques de dimension quelconque. Pour avoir plus de flexibilite dans la construction de codes quantiques, nous utilisons des objets combinatoires qui realisent cette geometrie spherique: des hypercubes. Ce contexte nous permet d'introduire un nouveau lien entre corrections d'erreur classique et quantique ou des codes classiques sont utilises pour introduire de l'homologie dans les hypercubes.
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.
Cette thèse s’inscrit dans le cadre de l’information quantique avec des variables continues, en utilisant des états quantiques du champ électromagnétique. En combinant les outils propres aux variables discrètes, o`u la lumière est décrite en termes de photons, avec les outils des variables continues, où la lumière est décrite en termes de quadratures, nous pouvons étudier théoriquement et produire expérimentalement des états non-classiques, ainsi que des protocoles élémentaires d’information quantique. Ainsi, nous avons produit expérimentalement un état «chat de Schrödinger», superposition quantique de deux états lumineux quasi-classiques, sur lequel nous avons appliqué une porte quantique introduisant une phase dans la superposition. Nous avons ensuite analysé la qualité de cette porte en utilisant un modèle simple de notre expérience. Nous nous sommes ensuite intéressés aux corrélations quantiques, mesurées par la discorde quantique, pour une classe d’états particulièrement importants en information quantique. Nous avons quantifié la précision de nos mesures en les comparant aux bornes de Cramér-Rao classique et quantique. Enfin, nous avons étudié théoriquement l’utilisation d’un amplificateur quantique non-déterministe en cryptographie quantique. Cet amplificateur possède la propriété de pouvoir amplifier des états quantiques sans en amplifier le bruit quantique associé. Ainsi, nous avons montré qu’il permet une amélioration de la distance maximale de transmission d’une clé secrète, ainsi qu’une amélioration de la résistance au bruit introduit par le canal quantique.
Cette thèse s’inscrit dans le cadre de l’information quantique avec des variables continues, en utilisant des états quantiques du champ électromagnétique. En combinant les outils propres aux variables discrètes, o`u la lumière est décrite en termes de photons, avec les outils des variables continues, où la lumière est décrite en termes de quadratures, nous pouvons étudier théoriquement et produire expérimentalement des états non-classiques, ainsi que des protocoles élémentaires d’information quantique. Ainsi, nous avons produit expérimentalement un état «chat de Schrödinger», superposition quantique de deux états lumineux quasi-classiques, sur lequel nous avons appliqué une porte quantique introduisant une phase dans la superposition. Nous avons ensuite analysé la qualité de cette porte en utilisant un modèle simple de notre expérience. Nous nous sommes ensuite intéressés aux corrélations quantiques, mesurées par la discorde quantique, pour une classe d’états particulièrement importants en information quantique. Nous avons quantifié la précision de nos mesures en les comparant aux bornes de Cramér-Rao classique et quantique. Enfin, nous avons étudié théoriquement l’utilisation d’un amplificateur quantique non-déterministe en cryptographie quantique. Cet amplificateur possède la propriété de pouvoir amplifier des états quantiques sans en amplifier le bruit quantique associé. Ainsi, nous avons montré qu’il permet une amélioration de la distance maximale de transmission d’une clé secrète, ainsi qu’une amélioration de la résistance au bruit introduit par le canal quantique.
La théorie de l'information multipartite étudie les problèmes de communication avec plusieurs émetteurs, plusieurs récepteurs et des stations relais. L'objectif de cette thèse est d'étendre les idées centrales de la théorie de l'information classique à l'étude des canaux quantiques. Nous allons nous intéresser aux scénarios de communication suivants: les canaux quantiques à accès multiples, les canaux quantiques à interférence, les canaux quantiques de diffusion et les canaux quantiques à relais. Dans chacun des ces scénarios de communication, nous caractérisons les taux de communication réalisables pour l'envoi d'information classique sur ces canaux quantiques. La modélisation quantique des canaux de communication est importante car elle fournit une représentation plus précise de la capacité du canal à transmettre l'information. En utilisant des modèles physiquement réalistes pour les sorties du canal et la procédure de détection, nous obtenons de meilleurs taux de communication que ceux obtenus dans un modèle classique. En effet, l'utilisation de mesures quantiques collectives sur l'ensemble des systèmes physiques en sortie du canal permet une meilleure extraction d'information que des mesures indépendantes sur chaque sous-système. Nous avons choisi d'étudier les canaux à entrée classique et sortie quantique qui constituent une abstraction utile pour l'étude de canaux quantiques généraux où l'encodage est restreint au domaine classique.Nous étudions le régime asymptotique où de nombreuses copies de du canal sont utilisées en parallèle, et les utilisations sont indépendantes. Dans ce contexte, il est possible de caractériser les limites absolues sur la transmission d'information d'un canal, si on connait les statistiques du bruit sur ce canal. Ces résultats théoriques peuvent être utilisées comme un point de repère pour évaluer la performance des protocoles de communication pratiques. Nous considérons surtout les canaux où les sorties sont des systèmes quantiques de dimension finie, analogues aux canaux classiques discrets. Le dernier chapitre présente des applications pratiques de nos résultats à la communication optique, où systèmes physiques auront des degrés de liberté continus. Ce contexte est analogue aux canaux classiques avec bruit gaussien.