Corrélations quantiques et structures causales Les travaux récents en fondements de la théorie quantique (des champs) et en information quantique relativiste tentent de mieux comprendre les effets des contraintes de causalité imposées aux opérations physiques sur la structure des corrélations quantiques. Le premier chapitre de cette thèse est consacré à l'étude des implications conceptuelles de la non-localité quantique, notion qui englobe celle d'intrication dans un sens précis. Nous détaillons comment les récentes approches informationnelles tentent de saisir la structure des corrélations non-locales, ainsi que les questions que ces dernières soulèvent concernant la capacité d'un observateur localisé à isoler un système de son environnement. Le second chapitre détaille les effets de l'invariance de Poincaré sur la détection et la quantification de l'intrication. Cette invariance impose que tous les systèmes soient modélisés en dernière instance dans le cadre de la théorie des champs, ce qui implique qu'aucun système à énergie finie ne puisse être localisé, ainsi que la divergence de toute mesure d'intrication pour des observateurs localisés. Nous fournissons une solution à ces deux problèmes en démontrant l'équivalence générique qui existe entre une résolution spatiale finie des appareils de mesure et l'exclusion des degrés de liberté de haute énergie de la définition du système observé. Cette équivalence permet une interprétation épistémique du formalisme quantique standard décrivant les systèmes localisés non-relativistes et leurs corrélations, clarifiant ainsi l'origine des mesures finies d'intrication pour de tels systèmes. Le dernier chapitre explore un cadre théorique récemment introduit qui prédit l'existence de corrélations quantiques sans ordre causal défini. Procédant par analogie avec le cas des corrélations non-locales, nous présentons quelques principes informationnels contraignant la structure de ces corrélations dans le but de mieux en comprendre l'origine physique.
Corrélations quantiques et structures causales Les travaux récents en fondements de la théorie quantique (des champs) et en information quantique relativiste tentent de mieux comprendre les effets des contraintes de causalité imposées aux opérations physiques sur la structure des corrélations quantiques. Le premier chapitre de cette thèse est consacré à l'étude des implications conceptuelles de la non-localité quantique, notion qui englobe celle d'intrication dans un sens précis. Nous détaillons comment les récentes approches informationnelles tentent de saisir la structure des corrélations non-locales, ainsi que les questions que ces dernières soulèvent concernant la capacité d'un observateur localisé à isoler un système de son environnement. Le second chapitre détaille les effets de l'invariance de Poincaré sur la détection et la quantification de l'intrication. Cette invariance impose que tous les systèmes soient modélisés en dernière instance dans le cadre de la théorie des champs, ce qui implique qu'aucun système à énergie finie ne puisse être localisé, ainsi que la divergence de toute mesure d'intrication pour des observateurs localisés. Nous fournissons une solution à ces deux problèmes en démontrant l'équivalence générique qui existe entre une résolution spatiale finie des appareils de mesure et l'exclusion des degrés de liberté de haute énergie de la définition du système observé. Cette équivalence permet une interprétation épistémique du formalisme quantique standard décrivant les systèmes localisés non-relativistes et leurs corrélations, clarifiant ainsi l'origine des mesures finies d'intrication pour de tels systèmes. Le dernier chapitre explore un cadre théorique récemment introduit qui prédit l'existence de corrélations quantiques sans ordre causal défini. Procédant par analogie avec le cas des corrélations non-locales, nous présentons quelques principes informationnels contraignant la structure de ces corrélations dans le but de mieux en comprendre l'origine physique.
Les travaux récents en fondements de la théorie quantique (des champs) et en information quantique relativiste tentent de mieux comprendre les effets des contraintes de causalité imposées aux opérations physiques sur la structure des corrélations quantiques. Le premier chapitre de cette thèse est consacré à l'étude des implications conceptuelles de la non-localité quantique, notion qui englobe celle d'intrication dans un sens précis. Nous détaillons comment les récentes approches informationnelles tentent de saisir la structure des corrélations non-locales, ainsi que les questions que ces dernières soulèvent concernant la capacité d'un observateur localisé à isoler un système de son environnement. Le second chapitre détaille les effets de l'invariance de Poincaré sur la détection et la quantification de l'intrication. Cette invariance impose que tous les systèmes soient modélisés en dernière instance dans le cadre de la théorie des champs, ce qui implique qu'aucun système à énergie finie ne puisse être localisé, ainsi que la divergence de toute mesure d'intrication pour des observateurs localisés. Nous fournissons une solution à ces deux problèmes en démontrant l'équivalence générique qui existe entre une résolution spatiale finie des appareils de mesure et l'exclusion des degrés de liberté de haute énergie de la définition du système observé. Cette équivalence permet une interprétation épistémique du formalisme quantique standard décrivant les systèmes localisés non-relativistes et leurs corrélations, clarifiant ainsi l'origine des mesures finies d'intrication pour de tels systèmes. Le dernier chapitre explore un cadre théorique récemment introduit qui prédit l'existence de corrélations quantiques sans ordre causal défini. Procédant par analogie avec le cas des corrélations non-locales, nous présentons quelques principes informationnels contraignant la structure de ces corrélations dans le but de mieux en comprendre l'origine physique.
Relations causales multipartites en théorie quantique Ces dernières années, une grande attention a été portée à l'étude des relations causales en théorie quantique. Plus particulièrement, il a été montré qu'il est possible de concevoir des scénarios dans lesquelles des parties réalisent des opérations qui sont compatibles avec la théorie quantique, mais qui ne peuvent pas être intégrées dans une structure causale globale. De tels ordres causaux indéfinis sont intéressants d'un point de vue fondamental, mais aussi sous l'angle de l'informatique quantique, étant donné qu'ils sortent du paradigme habituel des circuits quantiques, dans lequel on présuppose un ordre causal bien défini. L'objectif principal de cette thèse est d'étudier des relations causales indéfinies dans des scénarios comportant plus de deux parties. Comparées au cas bipartite, les situations multipartites font apparaître des aspects et problèmes nouveaux qui nécessitent d’être clarifiés afin de comprendre fondamentalement les structures causales quantiques indéfinies, et de mettre en évidence leurs implications et leur utilité potentielle pour l’informatique quantique.Une approche particulière pour étudier des relations causales quantiques est le formalisme des matrices de processus. Dans ce formalisme, le concept de la non-séparabilité causale a été introduit afin de qualifier des scénarios qui ne sont pas compatibles avec un ordre causal. Dans le chapitre 2, nous étudions comment généraliser ce concept au cas multipartite, comment caractériser des processus multipartites causalement (non)-séparables, et comment certifier la non-séparabilité causale multipartite. Un autre sujet important est de déterminer quels scénarios quantiques avec un ordre causal indéfini sont physiquement réalisables, et comment ils peuvent être réalisés concrètement. Dans le chapitre 3, nous introduisons deux nouvelles classes de processus quantiques multipartites qui sont réalisables en pratique et nous caractérisons les matrices de processus correspondantes. En particulier, nous définissons la classe des circuits quantiques avec un ordre causal contrôlé de manière quantique. L'exemple le plus simple d'un tel circuit est le quantum switch : un protocole dans lequel l'ordre entre deux opérations est contrôlé par un qubit dans un état de superposition, et qui définit un processus causalement non-séparable. La classe que nous introduisons contient des exemples plus généraux de processus causalement non-séparables avec de nouvelles propriétés. Nous montrons ensuite comment la caractérisation des processus de cette classe nous permet d'étudier de nouvelles applications de la non-séparabilité causale. Dans le chapitre 4, nous étudions un effet particulier de communication quantique dans un scénario avec un contrôle cohérent entre deux canaux quantiques. Ceci nous conduit à une analyse plus générale de la notion de canal quantique contrôlé de façon cohérente, qui implique certaines subtilités. Dans le chapitre 5, nous abordons un autre problème inhérent aux scénarios multipartites, qui est de savoir si un phénomène donné est véritablement multipartite (<< genuinely multipartite >>) ou non. Plus particulièrement, nous étudions des corrélations (non)-causales << véritablement multipartites >>. Dans le chapitre 6, nous mettons en évidence que des valeurs faibles anormales sont possibles sans post-sélection. Enfin, dans le chapitre 7, nous montrons qu'une certaine classe de matrices de processus tripartites, à savoir celles qui sont unitairement extensibles, ont une réalisation sur des sous-systèmes dits temporellement délocalisés, c'est-à-dire des sous-systèmes quantiques qui ne sont pas associés à un temps bien défini. Cette classe est plus grande que la classe des circuits quantiques avec un ordre causal contrôlé de manière quantique. Un point intéressant est qu'elle contient des processus qui violent des inégalités causales.
Perspectives sur la signalisation et l'ordre causal dans les théories physiques La causalité est essentielle à notre compréhension du monde, et se présente sous différentes formes : informationnelle et relativiste, la première étant liée au flux d'informations, et la seconde à la structure de l'espace-temps.Pour déduire de manière opérationnelle les relations causales entre différentes théories, la notion opérationnelle de signalisation joue un rôle central.Cela inclut notamment le cadre des « affects », qui formalise la signalisation dans les théories physiques générales à l'aide d'une approche de modélisation causale, et les notions de signalisation dans la théorie quantique.Dans la première partie de cette thèse, nous exploitons le cadre des affects pour améliorer la caractérisation de la signalisation informationnelle telle que définie par les « relations d'affects ». Plus précisément, nous fournissons des conditions permettant d'identifier les redondances dans de telles relations, en introduisant des techniques d'inférence causale dans des modèles causaux infidèles (dans lesquels les données observables ne reflètent pas « fidèlement » les dépendances causales), et nous démontrons comment les relations d'affects peuvent être appliquées pour décrire la signalisation dans la théorie quantique.Au-delà de la simple description de la signalisation informationnel, le cadre des affects permet d'étudier leur interaction avec les principes relativistes. Nous définissons une propriété de théorie de l'ordre appelée conicité, en montrant qu'elle est satisfaite pour les espaces-temps de Minkowski avec des dimensions spatiales d > 1. En intégrant des modèles causaux de théorie de l'information dans l'espace-temps sans violer les principes relativistes tels que l'absence de signalisation supraluminique (NSS), nous observons que les contraintes imposées par la NSS dans un espace-temps et celles imposées par l'inférence causale purement informationnelle se comportent différemment. Nous prouvons ensuite une correspondance entre les espaces-temps coniques et les modèles causaux fidèles : dans les deux cas, il existe un parallèle entre ces deux types de contraintes. Cela indique un lien entre les notions informationnelles et géométriques de causalité, que nous utilisons pour prouver l'impossibilité d'intégrations non dégénérées de boucles causales dans des espaces-temps coniques.Dans la deuxième partie de cette thèse, nous étudions les processus quantiques à ordre causal indéfini (ICO), pour lesquels divers cadres d'étude ont été proposés. En particulier, les circuits quantiques à contrôle quantique de l'ordre causal (QC-QCs) forment une vaste classe de fonctions d'ordre supérieur qui sont censées représenter tous les processus quantiques physiquement réalisables dans un espace-temps fixe. De manière complémentaire, le formalisme des circuits quantiques routés introduit des opérations quantiques contraintes par des « routes » afin de représenter les processus en termes de décomposition de circuits routés plus fine, représentant le flux d'informations dans le processus considéré. Cependant, l'existence de décompositions de circuits routés n'a été établie que pour un petit ensemble de processus jusqu'à présent.Nous remédions à cette situation en reliant ces deux cadres, prouvant qu'il est possible d'obtenir une décomposition systématique en circuits routés pour tout QC-QC à N parties, pour toute valeur de N. Nous détaillons explicitement cette construction et la comparons à d'autres décompositions en circuits routés de QC-QCs.
Indétermination causale et dynamicité en mécanique quantique La mécanique quantique permet la superposition des processus, entraînant une véritable absence de structure causale classique. Cette thèse étudie l'indétermination causale via le formalisme des matrices de processus, modélisant des processus où différentes parties respectent localement les lois quantiques sans supposer une structure causale globale bien définie, ce qui conduit à un ordre causal indéfini. Un exemple est le "quantum switch" (QS), où les opérations de deux parties A et B sont appliquées en superposition quantique des deux ordres causaux possibles. L'objectif principal de ce travail est de mieux comprendre les processus avec ordre causal indéfini ayant une interprétation physique claire, tant pratiquement, en explorant comment les réaliser et quels avantages en traitement de l'information ils offrent, que fondamentalement, en découvrant de nouvelles propriétés des processus avec trois parties ou plus.Nous commençons par rappeler que certaines implémentations expérimentales du QS ont été contestées car les opérations A et B étaient utilisées plusieurs fois, simulant ainsi un ordre causal indéfini plutôt que le réalisant vraiment. Bien que les deux processus soient indiscernables dans un régime d'énergie infinie, limiter l'énergie disponible introduit des imperfections permettant de distinguer les processus utilisant un nombre différent d'opérations. En comparant le QS à une de ses simulations naturelles dans un scénario contraint en énergie, nous trouvons que le QS est plus performant pour réaliser une tâche donnée, ce qui soulève de nouvelles questions sur les avantages énergétiques potentiels de l'indétermination causale.Nous abordons ensuite la métrologie quantique et affirmons que certaines revendications attribuant des avantages au QS par rapport à des processus à ordres causaux définis ne tiennent pas si une comparaison plus équitable est faite. En examinant les ''quantum circuits with quantum control"(QC-QC), nous trouvons divers exemples où des processus à ordre causal indéfini peuvent offrir (ou non) un avantage. Malgré l'avantage observé des QC-QC sur des circuits quantiques avec superposition causale, nous soulignons que des recherches supplémentaires sont nécessaires pour affirmer que l'ordre causal dynamique, caractéristique des QC-QC, est une ressource valable en métrologie quantique.Motivés par cette observation, nous formalisons la notion d'ordre causal dynamique, qui consiste en un ordre causal établi en cours de route plutôt que fixé a priori. Nous identifions une nouvelle manière pour l'ordre causal d'être dynamique : avec au moins quatre parties, il peut y avoir un ordre dynamique non influençable par le choix des parties passées. Cela nous conduit à introduire la notion d'ordre causal dynamique mais non influençable, pour les corrélations causales et les processus dans le formalisme des QC-QC. Cela permet de formaliser comment certains processus quantiques peuvent avoir des ordres causaux à la fois indéfinis et dynamiques, et de montrer que l'avantage des QC-QC en métrologie quantique ne peut être attribué à cette caractéristique.Enfin, nous réfléchissons à l'impact de la recherche scientifique sur la société. Après avoir analysé les implications politiques de la recherche scientifique, nous nous concentrons sur les technologies quantiques. Nous montrons qu'au-delà de quelques particularités quantiques, les enjeux éthiques associés aux technologies quantiques sont en fait plus généraux et déjà connus. Nous observons que, plus généralement, c'est le fonctionnement global de la recherche scientifique qui pourrait nécessiter une remise en question, notamment vis-à-vis des enjeux sociaux et environnementaux, ce qui nous pousse à proposer de nouvelles façons de pratiquer la recherche scientifique.
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
Systèmes quantiques ouverts et processus stochastiques quantiques De nombreux phénomènes de physique quantique ne peuvent être compris que par l'analyse des systèmes ouverts. Un appareil de mesure, par exemple, est un système macroscopique en contact avec un système quantique. Ainsi, tout modèle d'expérience doit prendre en compte les dynamiques propres aux systèmes ouverts. Ces dynamiques peuvent être complexes : l'interaction du système avec son environnement peut modifier ses propriétés, l'interaction peu créer des effets de mémoire dans l'évolution du système, . . . Ces dynamiques sont particulièrement importantes dans l'étude des expériences d'optique quantique. Nous sommes aujourd'hui capables de manipuler individuellement des particules. Pour cela la compréhension et le contrôle de l'influence de l'environnement est crucial. Dans cette thèse nous étudions d'un point de vue théorique quelques procédures communément utilisées en optique quantique. Avant la présentation de nos résultats, nous introduisons et motivons l'utilisation de la description markovienne des systèmes quantiques ouverts. Nous présentons a la fois les équations maîtresses et le calcul stochastique quantique. Nous introduisons ensuite la notion de trajectoire quantique pour la description des mesures indirectes continues. C'est dans ce contexte que l'on présente les résultats obtenus au cours de cette thèse. Dans un premier temps, nous étudions la convergence des mesures non destructives. Nous montrons qu'elles reproduisent la réduction du paquet d'onde du système mesuré. Nous montrons que cette convergence est exponentielle avec un taux fixe. Nous bornons le temps moyen de convergence. Dans ce cadre, en utilisant les techniques de changement de mesure par martingale, nous obtenons la limite continue des trajectoires quantiques discrètes. Dans un second temps, nous étudions l'influence de l'enregistrement des résultats de mesure sur la préparation d'état par ingénierie de réservoir. Nous montrons que l'enregistrement des résultats de mesure n'a pas d'influence sur la convergence proprement dite. Cependant, nous trouvons que l'enregistrement des résultats de mesure modifie le comportement du système avant la convergence. Nous retrouvons une convergence exponentielle avec un taux équivalent au taux sans enregistrement. Mais nous trouvons aussi un nouveau taux de convergence correspondant a une stabilité asymptotique. Ce dernier taux est interprété comme une mesure non destructive ajoutée. Ainsi l'état du système ne converge qu'après un temps aléatoire. A partir de ce temps la convergence peut être bien plus rapide. Nous obtenons aussi une borne sur le temps moyen de convergence.