Non-localité des états symétriques et ses applications en informatique quantique Le sujet de cette thèse est sur les propriétés non-locales des états symétriques invariant sous les permutations des systèmes et les usages potentiels de ces états dans le domaine de traitement d'information quantique. La non-localité de presque tous les états sysmétriques, hors les états de Dicke, est établie par une version étendue du paradoxe de Hardy. Grâce à la représentation de Majorana pour les états symétriques, des paramètres de mesure avec lesquels toutes les conditions du paradoxe sont satisfaites peuvent être trouvés. Une version étendue de l'inégalité de CH peut être dérivée à partir des conditions probabilistes de ce paradoxe. Cette inégalité est violée par tous les états symétriques. Les propriétés de la non-localité et les propriétés de l'intrication sont aussi discutées et comparées, notamment par rapport à la persistance et la monogamie. Des résultats indiquent que la dégénérescences de certains états symétriques est liée à la persistance, qui donne une façon d'inventer des tests qui sont indépendants des dispositifs visés pour séparer les différentes classes de non-localité. Il est aussi montré que l'inégalité utilisée pour démontrer la non-localité de tous les états symétriques n'est pas monogame dans le sens strict. Néanmoins, une nouvelle inégalité pour les états de Dicke est proposée, qui est monogame quand le nombre de participants tends vers l'infinité. Malheureusement, toutes ces inégalités sont incapables de détecter la non-localité authentique. Des applications de la non-localité à la complexité de communication et aux jeux bayésiens sont discutées.
Non-localité des états symétriques et ses applications en informatique quantique Le sujet de cette thèse est sur les propriétés non-locales des états symétriques invariant sous les permutations des systèmes et les usages potentiels de ces états dans le domaine de traitement d'information quantique. La non-localité de presque tous les états sysmétriques, hors les états de Dicke, est établie par une version étendue du paradoxe de Hardy. Grâce à la représentation de Majorana pour les états symétriques, des paramètres de mesure avec lesquels toutes les conditions du paradoxe sont satisfaites peuvent être trouvés. Une version étendue de l'inégalité de CH peut être dérivée à partir des conditions probabilistes de ce paradoxe. Cette inégalité est violée par tous les états symétriques. Les propriétés de la non-localité et les propriétés de l'intrication sont aussi discutées et comparées, notamment par rapport à la persistance et la monogamie. Des résultats indiquent que la dégénérescences de certains états symétriques est liée à la persistance, qui donne une façon d'inventer des tests qui sont indépendants des dispositifs visés pour séparer les différentes classes de non-localité. Il est aussi montré que l'inégalité utilisée pour démontrer la non-localité de tous les états symétriques n'est pas monogame dans le sens strict. Néanmoins, une nouvelle inégalité pour les états de Dicke est proposée, qui est monogame quand le nombre de participants tends vers l'infinité. Malheureusement, toutes ces inégalités sont incapables de détecter la non-localité authentique. Des applications de la non-localité à la complexité de communication et aux jeux bayésiens sont discutées.
Compatibilité et non-localité L'un des concepts majeurs introduit par la théorie quantique est celui de la compatibilité des mesures quantiques. Il existe certains types de mesures qui ne peuvent pas être effectuées en même temps. Ainsi, on dit que les mesures sont compatibles si on peut mesurer en même temps et d'autre sont incompatibles. L'autre concept majeur de la mécanique quantique est celui de la nonlocalité qui est l'un des concepts les plus contre-intuitifs de la physique quantique. Ce concept majeur est dû à John Bell qui a montré que la mécanique quantique est intrinsèquement non locale. Ainsi, on parle de violation des inégalités de Bell par la mécanique quantique. Aujourd'hui, la nonlocalité est comprise à travers les jeux nonlocaux. Un jeux nonlocal consiste en deux joueurs ou plus Alice et Bob jouant contre un arbitre. Ce dernier posera un certain nombre de questions aux joueurs qui devront générer un certain nombre de réponses en utilisant une stratégie classique ou quantique. Il se trouve que le maximum des réponses qu'Alice et Bob peuvent générer est intrinsèquement relié à une norme tensorielle caractérisant le jeu. Dans ce formalisme, l'utilisation des stratégies classiques est relié à la norme de la matrice du jeux lui-même, ainsi la violation des inégalités de Bell se traduit par une inégalité stricte entre les normes tensorielles. Le but de cette thèse consiste à comprendre l'incompatibilité des mesures quantiques ainsi que le lien avec les inégalités de Bell. Dans un premier temps, nous avons introduit la compatibilité des mesures quantiques sous un nouveau point de vue, et analysé les types de bruit qu'on peut effectuer à fin de rendre le système compatible. Ce nouveau point de vue consiste à comprendre et à analyser l'effet de la dimension de l'espace de Hilbert sur l'incompatibilité des mesures. Par ailleurs à fin de rendre des mesures compatibles, on peut introduire l'effet d'un bruit. Comme application, certains états connu sous le nom de MUB sont de nature incompatible, on montre même si on rajoute du bruit aux MUB celle-ci restant incompatible, il existe une isométrie et un espace de Hilbert de dimension plus petite rendant les MUB compatibles. Dans un deuxième temps, nous avons analysé le lien intrinsèque reliant l'incompatibilité des mesures quantique et la violation des inégalités de Bell. Pour cela, on a considéré le cadre des jeux nonlocaux, où les mesures d'Alice sont fixées. Il est connu qu'une violation des inégalités de Bell nécessite l'utilisation des mesures incompatibles. Par ailleurs, si Alice veut savoir si elle observera une violation des inégalités de Bell si elle utilise des mesures incompatibles. Pour cela, elle doit calculer deux normes tensorielles d'un tenseur construit à partir de ses mesures. Ces normes tensorielles vont caractériser d'une part la compatibilité des mesures d'Alice et d'autre part la violation des inégalités de Bell. Dans ce cadre naturel, comprendre le lien entre incompatibilité des mesures quantiques et la violation des inégalités de Bell, revient à comparer les deux normes tensorielles. Or, il se trouve que pour le jeu CHSH ces deux normes sont égales, mais on peut montrer généralement qu'elles ne le sont pas. On peut se demander s'il existe d'autre types de jeux satisfaisant cette égalité des normes tensorielles ? Il se trouve que nous avons montré qu'avec des conditions suffisantes, seul le jeux CHSH à constante multiplicative près donne l'égalité entre les normes tensorielles.
Contextualité et non-localité dans les systèmes décrits par des variables continues La mécanique quantique présente des propriétés étonnantes qui n'ont pas d'équivalent en physique classique. Ces propriétés sont au cœur des applications possibles de la mécanique quantique. Le thème principal de cette thèse est l'étude de deux des propriétés fondamentales de la mécanique quantique: la non-localité et la contextualité. Dans ce cadre, nous poursuivrons deux objectifs: premièrement, nous étudierons comment certains résultats obtenus pour les systèmes discrets peuvent être étendus aux systèmes décrits par des variables continues; deuxièmement nous étudierons comment il est possible de tester ces deux propriétés dans les systèmes quantiques décrits par des variables continues.Dans une première partie, nous étudions l'ensemble des distributions de probabilités locales et ``no-signaling'', c'est à dire qui ne permettent pas de transmettre d'information. Nous commençons par traduire le problème en terme de contraintes sur des espaces de mesures de probabilité. Nous introduisons ensuite un ensemble de mesures de probabilité qui sont les analogues en variables continues des probabilités découvertes par Popescu et Rohrlich dans le cas discret. Enfin, nous caractérisons l'ensemble des mesures de probabilité ``no-signaling''. Plus précisément, nous montrons que les mesures introduites sont des points extrémaux de l'ensemble des mesures de probabilité ``no-signaling'' et que leur enveloppe convexe est dense dans l'ensemble des mesures de probabilité ``no-signaling''. Dans une seconde partie nous nous intéressons à une preuve de la contextualité de la mécanique quantique dans une formulation qui ne dépend pas de l'état. Plus particulièrement, concernant l'inégalité de non-contextualité de Peres-Mermin, nous montrons qu'il est possible de la généraliser pour des observables définies sur des espaces de Hilbert de dimension arbitraire, voire infinie. Cette généralisation nous permet d'identifier les propriétés communes des observables qui conduisent à une violation maximale de l'inégalité de Peres-Mermin.En dernier lieu, nous nous intéressons à des états intriqués du champ électromagnétique de deux cavités. Ces états sont non-locaux et violent une inégalité de Bell formée de mesures de la parité déplacée. Nous étudions comment ces états peuvent être préparés et mesurés expérimentalement. Enfin, nous analysons l'effet des imperfections expérimentales et des pertes
La mécanique quantique prédit l'existence de corrélations entre particules distantes qui ne peuvent s'expliquer dans le cadre des théories réalistes locales. Suite au développement récent de la théorie de l'information quantique, il a été réalisé que ces corrélations non-locales ont des implications quant aux capacités de traitement de l'information des systèmes quantiques. Outre une signification physique, elles possèdent donc une signification informationnelle. Cette thèse traite de différents aspects de la non-localité liés à ces deux facettes du phénomène. Nous commençons par un examen de la structure des corrélations locales et non-locales. Nous dérivons dans ce contexte de nouvelles inégalités de Bell, et généralisons ensuite le paradoxe de Greenberger-Horne-Zelinger à des états quantiques de dimension arbitraire et composés de plusieurs sous-systèmes. Nous abordons par après la non-localité du point de vue de la théorie de l'information. Il est possible de concevoir des théories non-locales consistantes avec le principe de causalité mais offrant des avantages supérieurs à la mécanique quantique en terme de manipulation de l'information. Nous investiguons l'ensemble des corrélations compatibles avec de telles théories afin d'éclairer l'origine des limitations imposées par le formalisme quantique. Nous nous intéressons également à la quantité de communication classique nécessaire pour simuler les corrélations non-locales. Nous montrons que cette mesure naturelle de la non-localité est étroitement liée au degré de violations des inégalités de Bell. Nous nous tournons ensuite vers des aspects expérimentaux. La faible efficacité des détecteurs utilisés dans les expériences de violation des inégalités de Bell reste un obstacle majeur à une démonstration convaincante de la non-localité, mais aussi à toute utilisation de la non-localité dans des protocoles d'information quantique. Nous dérivons d'une part des bornes quant à l'efficacité minimale requise pour violer les inégalités de Bell, et d'autre part des exemples de corrélations plus résistante à ces imperfections expérimentales. Finalement, nous clôturons cette thèse en montrant comment la non-localité, principalement étudiée dans le cadre de systèmes décrits par des variables discrètes, telles que les variables de spin, peut également se manifester dans des systèmes à variables continues, telles que les variables de position et d'impulsion.
Non-localité et auto-test des états de graphe avec communication restreinte Les états graphiques, correspondant à des graphes mathématiques, exhibent la non-localité, car aucun modèle à variables cachées locales (LHV) ne peut prédire toutes leurs corrélations de mesure. Dans cette thèse, nous étudions des extensions de la non-localité des états graphiques, en permettant aux modèles LHV de communiquer classiquement sur une distance r le long des arêtes du graphe, notés r-LHV. En 2007, Barrett et al. ont été les premiers à rapporter des corrélations issues de mesures de Pauli locales sur une famille particulière d'états graphiques, réfutant ainsi une description r-LHV. Leur résultat a été déterminant pour démontrer une séparation entre le calcul classique et quantique en termes de profondeur de circuit sans recourir à des hypothèses de complexité. Inspirés par ces travaux, notre premier résultat est une extension systématique de tout état graphique en un état graphique gonflé, exhibant des corrélations qui réfutent tout modèle LHV assisté par communication. Pour certaines topologies, la taille et le nombre de mesures peuvent être optimisés. Le plus petit graphe démontrant de telles corrélations non locales avec mesures de Pauli, tout en permettant une communication entre voisins immédiats, est un cercle de cinq qubits. De plus, le graphe linéaire à quatre sommets présente la plus petite violation possible en utilisant des entrées et des sorties binaires. Notre deuxième résultat concerne l'application du cadre compatible avec les modèles r-LHV à l'auto-test (self-testing), méthode pour déduire l'état et les opérations uniquement à partir des statistiques de mesure. Dans le cadre standard sans communication, tous les états graphiques peuvent être auto-testés. Nous développons une méthode d'auto-test dans le cadre de la communication classique bornée, montrant que certains états graphiques peuvent encore être auto-testés de manière robuste malgré la communication. Nous fournissons un auto-test explicite pour l'état graphique circulaire, ainsi que pour les états de cluster en nid d'abeille et carré, ressources universelles pour le calcul quantique basé sur la mesure. Comme la communication entrave généralement l'auto-test des états graphiques, nous présentons aussi une procédure pour auto-tester tout état graphique en utilisant les états graphiques gonflés, qui exhibent des corrélations non locales contre la communication bornée. Ces résultats pourraient être utiles dans un schéma de vérification interactive où, en relâchant l'hypothèse que les prouveurs ne peuvent pas communiquer, ceux-ci peuvent s'engager dans une communication classique de distance bornée. Bien que les résultats précédents concernent les qubits (systèmes à deux dimensions), nous montrons que des corrélations défiant les modèles r-LHV existent aussi pour les états graphiques dans les systèmes qudit pour toute dimension finie, impaire et première d. Pour cela, nous étudions la non-localité dans les systèmes qudit dans le scénario de Bell standard sans communication. Nous construisons des corrélations spécifiques qui défient les modèles LHV de manière déterministe, ainsi que d'autres avec un nombre constant de mesures, en utilisant des opérateurs propres aux systèmes de dimension supérieure au qudit considéré. Nous proposons ensuite une famille d'inégalités de Bell utilisant des corrélations liées à la négativité de Wigner de l'état intriqué. Pour une violation avec des états stabilisateurs, nous employons des mesures de Pauli sous l'action adjointe d'une généralisation de la porte T du qubit, une abstraction de l'inégalité de Clauser-Horne-Shimony-Holt. Ce résultat s'étend aux états stabilisateurs multipartites, y compris les états graphiques, où nous démontrons des violations robustes contre la communication classique bornée.
Protocoles de chiffrement quantiques de plusieurs parties en environnements réalistes Cette thèse se situe à l’interface entre la théorie quantique et les expériences, en mettant l’accent sur les protocoles pratiques qui peuvent être mises en place en utilisant la technologie présente. Notre objectif est de contribuer à la construction d’un cadre général pour la conception et la mise en oeuvre de schémas de chiffrement quantiques qui permettront d’améliorer la sécurité des futurs réseaux de télécommunication. En outre, cette thèse veut avancer la recherche pertinente sur la physique quantique et l’informatique, en améliorant notre compréhension du phénomène d’intrication. Les corrélations des états intriqués ne peuvent pas être reproduites par des moyens classiques, ce qui permet d’effectuer des tâches (par exemple la téléportation et le codage super-dense) qui sont autrement impossibles. Il est donc d’une importance majeure d’être capables de vérifier si un état quantique est intriqué. Dans cette thèse, nous montrons comment vérifier efficacement si une source physique peut créer des états intriqués multipartites et les partager avec de nombreuses parties, dont certains sont malhonnêtes et collaborent avec la source. Ce protocole pourrait s’avérer essentiel pour tout type de calcul quantique entre les parties méfiantes et pourrait aussi faciliter la délégation sécurisée des tâches de calcul aux serveurs quantiques puissants qui ne sont pas fiables. Finalement, nous étudions le lien entre la théorie des jeux et la non-localité quantique, dans le cadre de jeux bayésiens. Nous examinons comment l’intrication partagé aide les joueurs gagner un jeu avec une probabilité plus élevée que les ressources classiques pourraient atteindre.
High dimension and symmetries in quantum information theory S'il fallait résumer le sujet de cette thèse en une expression, cela pourrait être quelque chose comme: phénomènes de grande dimension (mais néanmoins finie) en théorie quantique de l'information. Cela étant dit, essayons toutefois de développer brièvement. La physique quantique a inéluctablement affaire à des objets de grande dimension. Partant de cette observation, il y a, en gros, deux stratégies qui peuvent être adoptées: ou bien essayer de ramener leur étude à celle de situations de plus petite dimension, ou bien essayer de comprendre quels sont les comportements universels précisément susceptibles d'émerger dans ce régime. Nous ne donnons ici notre préférence à aucune de ces deux attitudes, mais au contraire oscillons constamment entre l'une et l'autre. Notre but dans la première partie de ce manuscrit (Chapitres 5 et 6) est de réduire autant que possible la complexité de certains processus quantiques, tout en préservant, évidemment, leurs caractéristiques essentielles. Les deux types de processus auxquels nous nous intéressons sont les canaux quantiques et les mesures quantiques. Dans les deux cas, la complexité d'une transformation est mesurée par le nombre d'opérateurs nécessaires pour décrire son action, tandis que la proximité entre la transformation d'origine et son approximation est définie par le fait que, quel que soit l'état d'entrée, les deux états de sortie doivent être proches l'un de l'autre. Nous proposons des solutions universelles (basées sur des constructions aléatoires) à ces problèmes de compression de canaux quantiques et d'amenuisement de mesures quantiques, et nous prouvons leur optimalité. La deuxième partie de ce manuscrit (Chapitres 7, 8 et 9) est, au contraire, spécifiquement dédiée à l'analyse de systèmes quantiques de grande dimension et certains de leurs traits typiques. L'accent est mis sur les systèmes multi-partites et leurs propriétés ayant un lien avec l'intrication. Les principaux résultats auxquels nous aboutissons peuvent se résumer de la façon suivante: lorsque les dimensions des espaces sous-jacents augmentent, il est générique pour les états quantiques multi-partites d'être à peine distinguables par des observateurs locaux, et il est générique pour les relaxations de la notion de séparabilité d'en être des approximations très grossières. Sur le plan technique, ces assertions sont établies grâce à des estimations moyennes de suprema de processus gaussiens, combinées avec le phénomène de concentration de la mesure. Dans la troisième partie de ce manuscrit (Chapitres 10 et 11), nous revenons pour finir à notre état d'esprit de réduction de dimensionnalité. Cette fois pourtant, la stratégie est plutôt: pour chaque situation donnée, tenter d'utiliser au maximum les symétries qui lui sont inhérentes afin d'obtenir une simplification qui lui soit propre. En reliant de manière quantitative symétrie par permutation et indépendance, nous nous retrouvons en mesure de montrer le comportement multiplicatif de plusieurs quantités apparaissant en théorie quantique de l'information (fonctions de support d'ensembles d'états, probabilités de succès dans des jeux multi-joueurs non locaux etc.). L'outil principal que nous développons dans cette optique est un résultat de type de Finetti particulièrement malléable