Stratégies de mesure optimales pour l'estimation des états quantiques et des canaux quantiques L'avancée rapide de la technologie de l'information quantique nécessite un contrôle et une manipulation précis des systèmes quantiques. En particulier, il est essentiel de certifier que les processeurs quantiques fonctionnent réellement de manière quantique, afin de valider les expériences et leurs résultats. Les principaux problèmes abordés dans cette thèse concernent la recherche de stratégies optimales pour l'estimation et la caractérisation des états et des canaux quantiques, avec un accent particulier sur les corrélations d'intrication. Nous avons considéré la certification de l'intrication à travers une partition donnée d'un système multi-qubit, lorsque seulement une information partielle sur l'état quantique correspondant est disponible ; nous avons abordé le problème avec un algorithme basé sur le problème des séquences de moments tronqués (tms), identifiant ainsi la séquence de mesure la plus efficace pour détecter l'intrication. Nous avons également étudié le problème de la séparabilité des canaux quantiques en termes de représentation de la matrice de Choi ; dans ce cas, le cadre tms fournit une condition nécessaire et suffisante unifiée pour les différentes classes de séparabilité des canaux quantiques. Quelques résultats préliminaires sur les "tests fonctionnels quantiques" sont discutés ; nous avons utilisé des stratégies adaptatives bayésiennes pour obtenir une réponse sur le fonctionnement correct ou incorrect d'un dispositif quantique décrit par un seul paramètre dès que possible. Enfin, nous avons également mis en évidence la pertinence des notions d'information quantique par une connexion entre les domaines de l'information quantique, de la condensation de Bose-Einstein (BEC) et de la gravité analogue, en étudiant les propriétés d'intrication d'un BEC analogue à un trou noir.
Stratégies de mesure optimales pour l'estimation des états quantiques et des canaux quantiques L'avancée rapide de la technologie de l'information quantique nécessite un contrôle et une manipulation précis des systèmes quantiques. En particulier, il est essentiel de certifier que les processeurs quantiques fonctionnent réellement de manière quantique, afin de valider les expériences et leurs résultats. Les principaux problèmes abordés dans cette thèse concernent la recherche de stratégies optimales pour l'estimation et la caractérisation des états et des canaux quantiques, avec un accent particulier sur les corrélations d'intrication. Nous avons considéré la certification de l'intrication à travers une partition donnée d'un système multi-qubit, lorsque seulement une information partielle sur l'état quantique correspondant est disponible ; nous avons abordé le problème avec un algorithme basé sur le problème des séquences de moments tronqués (tms), identifiant ainsi la séquence de mesure la plus efficace pour détecter l'intrication. Nous avons également étudié le problème de la séparabilité des canaux quantiques en termes de représentation de la matrice de Choi ; dans ce cas, le cadre tms fournit une condition nécessaire et suffisante unifiée pour les différentes classes de séparabilité des canaux quantiques. Quelques résultats préliminaires sur les "tests fonctionnels quantiques" sont discutés ; nous avons utilisé des stratégies adaptatives bayésiennes pour obtenir une réponse sur le fonctionnement correct ou incorrect d'un dispositif quantique décrit par un seul paramètre dès que possible. Enfin, nous avons également mis en évidence la pertinence des notions d'information quantique par une connexion entre les domaines de l'information quantique, de la condensation de Bose-Einstein (BEC) et de la gravité analogue, en étudiant les propriétés d'intrication d'un BEC analogue à un trou noir.
Bruit et capacité d'apprentissage en apprentissage automatique quantique Cette thèse est consacrée à l'exploration de l'interface entre l'informatique quantique et l'apprentissage automatique, en mettant l'accent sur les effets du bruit et de la décohérence. Dans la première partie, nous étudions l'utilisation de systèmes quantiques ouverts pour la réalisation de tâches classiques de reconnaissance des formes. En particulier, nous nous intéressons à l'impact du bruit sur les machines à noyau quantique dans une configuration de calcul à réservoir. Les modèles que nous considérons sont basés sur l'utilisation d'un système quantique de grande taille et non contrôlé, un réservoir, qui est excité par un signal d'entrée à traiter. Des mesures sont ensuite effectuées sur le système et une combinaison linéaire des résultats est optimisée afin de réaliser la tâche souhaitée. Dans le cadre théorique associé aux méthodes à noyau, nous analysons l'effet de la dissipation sur l'expressivité de ces modèles. Nous montrons que le bruit affectant le réservoir peut agir comme une régularisation implicite qui aide à prévenir l'ajustement excessif. Ces résultats sont accompagnés d'une étude numérique d'un ensemble de machines à noyaux bruitées basées sur des chaînes de spins quantiques sujets à de la décohérence, et dont l'évolution markovienne est décrite par une équation maîtresse de type Lindblad. Dans la deuxième partie de la thèse, nous nous concentrons sur les algorithmes quantiques variationnels. Nous y présentons un schéma de simulation classique efficace pour estimer des quantités moyennées à la sortie d'un circuit quantique paramétré dont les paramètres de rotation sont choisis aléatoirement. Nous étudions d'abord les canaux quantiques associés aux moyennes de rotations aléatoires d'un et de deux qubits autour d'un axe Z. Sous certaines hypothèses, nous montrons que ces canaux peuvent être décomposés en sommes convexes de canaux associés à des transformations unitaires de Clifford. Ce résultat peut être interprété comme un effet de décohérence artificiel induit par le choix aléatoire des angles de rotation. Il nous permet construire un schéma de simulation efficace basé sur le célèbre théorème de Gottesman-Knill. Cette méthode permet notamment d'estimer efficacement l'amplitude moyenne du gradient de la fonction de coût par des simulations classiques avec une complexité polynomiale en le nombre de qubits. Elle peut donc être utilisée pour explorer des stratégies de conception de circuits variationnels quantiques permettant d'éviter les difficultés d'entrainement due à une disparition du gradient.
La détection de l’intrication est une étape indispensable dans le contexte de l’information et du calcul quantique. Cette tâche importante s’est avérée difficile pour les systèmes quantiques de grandes dimensions supérieures à 2 × 3, auquel cas il existe des conditions nécessaires et suffisantes bien établies.Notre approche consiste à réduire la dimensionalité du problème. Pour ce faire, on transforme, localement, chaque sous-système en un qubit sans créer de l’intrication. Le mapping est exprimé en fonction des valeurs moyennes de trois opérateurs arbitraires dans l’état original. Nous donnons des conditions nécessaires et suffisantes pour que cette transformation soit valide d'un point de vue physique. Nous exploitons ce formalisme pour dériver des critères d’intrication pour des systèmes bipartites ou multipartites sur la base des critères existants pour les qubits.En transformant localement chaque sous-système, l’application de critères d’intrication connus pour les qubits à l’état résultant induit automatiquement des critères d’intrication en fonction d’opérateurs utilisés pour réaliser le mapping.Pour le cas multipartite, on s’intéresse aux inégalités de compression de spin. Cependant, lorsqu’on applique notre formalisme à ce cas, il est possible d’obtenir une superposition cohérente d’états avec un nombre de particules différent. Par conséquent, pour obtenir de meilleurs critères, nous avons dû prendre en compte les fluctuations quantiques et/ou classiques que l’opérateur du nombre de particules peut présenter. Nous avons dérivé une forme généralisée des inégalités de spin squeezing pour un nombre de particules fluctuant et opérateurs collectifs arbitraires. Nous avons appliqué nos résultats à un système d’atomes de chrome ultrafroids piégés dans un réseau optique, en collaboration avec l’équipe Gazes Dipolaires Quantiques du Laboratoire LPL de l’Université Paris Nord 13. Nous avons montré, dans une simulation numérique, que nos inégalités généralisées sont capables de détecter l’intrication à l’aide d’opérateurs collectifs mesurables en utilisant des techniques accessibles dans dans ce type de dispositif.
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.
Sonder l'intrication sur des plateformes quantiques à l'aide de mesures aléatoires La technologie quantique a fait des progrès significatifs dans la réalisation de diverses plateformes de calcul et de simulation quantiques. L'objectif de cette thèse est de développer des approches théoriques pour comprendre le rôle de l'intrication dans les systèmes quantiques, et de proposer des protocoles de mesure pour sonder expérimentalement ces concepts dans ces plateformes technologiques quantiques courantes. Ces dernières années, des protocoles appartenant aux "mesures aléatoires" (randomized measurement toolbox ou RM toolbox) ont montré leur capacité à mesurer l'intrication bipartite (intrication entre deux parties d'un système quantique). Ces protocoles ont été mis en œuvre dans plusieurs plateformes expérimentales composées de simulateurs et d'ordinateurs quantiques.Ce manuscrit rapporte principalement le développement de nouvelles approches basées sur cette toolbox afin de fournir aux groupes expérimentaux des outils avancés de mesure de l'intrication en mesurant des nouvelles quantités fondamentales d'intérêt liées à l'intrication préparée dans les platformes quantiques.Le premier objectif de cette thèse est de fournir un nouveau protocole pour optimiser le protocole RM existant en réduisant les erreurs statistiques dans l'estimation des quantités. Ceci est fait avec deux approches : (i) via l'échantillonnage préférentiel des unitaires aléatoires locales et (ii) en mettant en œuvre des mesures aléatoires communes (common randomized measurements). Ces techniques nous permettent d'implémenter automatiquement la boîte à outils RM (RM toolbox) pour estimer les propriétés associées à l'intrication sur de plus grandes plateformes expérimentales.Ensuite, une partie centrale de ce travail propose un protocole alternatif efficace pour mesurer une quantité fondamentale en métrologie quantique connue comme "information quantique de Fisher" (quantum Fisher information) qui nous permet de caractériser le contenu de l'intrication multipartite de l'état quantique.Ce protocole est basé sur l'estimation de l'information quantique de Fisher via la boîte à outils RM, en tant qu'une série convergente de polynômes de la matrice de densité.En outre, le manuscrit se concentre également sur la résolution d'un problème pratique de la boîte à outils RM actuelle, causé par le coût classique excessif du post-traitement des données RM expérimentales afin d'évaluer des estimations non biaisées des quantités d'intérêt. Cela motive l'introduction du "formalisme de batch shadows" et fournit une technique de traitement des données efficace avec des garanties de performance rigoureuses pour obtenir des estimations des quantités accessibles à partir des données RM expérimentales. Enfin, en raison de ces développements de la boîte à outils RM, le manuscrit discute également des quantités qui ont été accessibles pour la première fois par la mise en œuvre expérimentale de cette boîte à outils sur deux architectures différentes de plateforme quantique composée de qubits supraconducteurs et d'ions piégés.
L'Adaptativité dans l'Apprentissage Classique et Quantique Apprendre à partir de données est un problème fondamental en statistique qui a des applications dans presque tous les aspects de notre vie. Il existe deux classes naturelles de stratégies pour apprendre à partir de données. Les stratégies non adaptatives collectent toutes les données nécessaires, puis traitent toutes ces données en une seule fois, tandis que les stratégies adaptatives peuvent utiliser les informations accumulées pour décider si davantage d'échantillons doivent être collectés. De plus, avec les méthodes adaptatives, la façon dont les nouvelles informations sont obtenues peut également être adaptée en fonction de ce qui a été observé lors des étapes précédentes. Étant donné que notre objectif est de minimiser la quantité de données requises, dans cette thèse, nous étudions le nombre optimal de ressources pour les deux approches pour différents problèmes d'apprentissage classiques et quantiques.Pour tester les distributions classiques, nous montrons que les stratégies adaptatives surpassent leurs analogues non adaptatives d'un facteur de quatre lorsque la taille de l'alphabet est petite. De plus, les stratégies adaptatives peuvent s'arrêter plus tôt lorsque les distributions testées sont très différentes les unes des autres. Cet avantage est également présent même pour les grands alphabets.En ce qui concerne le test des états quantiques, nous présentons des situations où les stratégies adaptatives ont un avantage significatif par rapport aux stratégies non adaptatives. Celles-ci comprennent le test d'hypothèses (binaires), le test d'identité et de proximité des états quantiques.Cependant, dans certaines situations, nous avons plusieurs façons de générer les données. Ces situations peuvent être modélisées par des canaux quantiques qui produisent des données après avoir reçu une entrée choisie par la stratégie d'apprentissage. Ces entrées peuvent également être adaptées aux observations précédentes par les stratégies adaptatives, tandis que les stratégies non adaptatives doivent déterminer toutes les entrées à l'avance. Nous déterminons la complexité optimale pour tester si un canal est parfait ou non. De plus, nous caractérisons le nombre optimal de ressources pour apprendre un canal général ou un bruit de type Pauli dans le cadre non adaptatif. En outre, nous réduisons l'écart entre les stratégies adaptatives et non adaptatives pour l'apprentissage du bruit de type Pauli.
Communications multipartites sur réseaux quantiques Le domaine des réseaux quantiques est actuellement un champ d'investigation majeur dans les technologies quantiques. Des recherches sont en cours à tous les niveaux. L'un des actes les plus simples de la communication quantique, la distribution d'un état unique bipartite intriqué, a été très étudié car il s'agit d'un problème simple à caractériser, simuler et mettre en œuvre. Il est également utile pour une application importante des réseaux quantiques : la distribution sécurisée d'une clé cryptographique. Cependant, l'utilisation des réseaux quantiques va bien au-delà, dans le domaine multipartite. Dans ce manuscrit, nous étudions d'abord le recyclage de ressources précédemment distribuées dans le régime asymptotique par l'utilisation du peignage d'intrication et de la fusion d'états quantiques. Ensuite, nous caractérisons la distribution des états quantiques en utilisant le formalisme du réseau tensoriel. Nous caractérisons également une large classe de protocoles de distribution classiques et utilisons cette similitude pour comparer la distribution des corrélations classiques sur les réseaux classiques à la distribution des états quantiques sur les réseaux quantiques. Enfin, nous mettons en œuvre les protocoles précédents dans un cadre plus réaliste et participons à l'élaboration de fonctionnalités multipartites pour un simulateur de réseau quantique : QuISP. Nous avons également cherché à vulgariser et à diffuser les notions d'information quantique auprès d'un large public. Nous rendons compte de la création d'un jeu vidéo basé sur l'optique quantique, s'ajoutant à la vulgarisation ludographique existante.