Modular variables in quantum information

par Andreas Ketterer

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Thomas Coudreau et de Pérola Milman.

Le président du jury était Sébastien Tanzilli.

Le jury était composé de Thomas Coudreau, Pérola Milman, Sébastien Tanzilli, Philippe Grangier, Peter Rabl, Otfried Gühne.

Les rapporteurs étaient Philippe Grangier, Peter Rabl.

  • Titre traduit

    Variables modulaires en information quantique


  • Résumé

    L’information quantique peut être traitée de deux manières fondamentalement différentes: à l’aide de variables discrètes ou continues. Dans cette thèse, nous étudions de manière théorique la réalisation de protocoles d’information quantique dans les systèmes caractérisés par des variables continues. Pour ce faire, nous utilisons les variables modulaires comme outil afin de révéler des structures discrètes dans les états, opérations et observables. Le présent travail est fortement motivé par l’applicabilité expérimentale de nos idées dans des expériences d’optique quantique. Le thème principal de cette thèse est la formulation d’un cadre pour le traitement quantique de l’information dans l’espace des phases grâce aux variables modulaires. L’usage des variables modulaires permet d’encoder des états logique dans des espaces de Hilbert de dimension infinie et de définir des opérations qui permettent de les manipuler. En particulier, nous considérons des protocoles qui impliquent des mesures de variables modulaires qui permettent la lecture d’information discrète codée dans des variables continues. Grâce à ce formalisme, nous montrons comment il est possible de réaliser des tests des propriétés fondamentales de la mécanique quantique comme l’intrication, la non-localité ou la contextualité dans des espaces de Hilbert de dimensions finie ou infinie. Ensuite, nous discutons pourquoi les degrés de liberté transverse des photons sont des candidats naturels pour l’implémentation expérimentale des variables modulaires. À cet effet, nous démontrons comment il est possible d’utiliser l’effet Talbot - un effet d’interférence de champ proche - afin d’encoder de l’information discrète dans la distribution spatiales des photons. Finalement, nous montrons pour la première fois comment produire des photons intriqués de dimension arbitraire de manière déterministe en utilisant la conversion paramétrique et des éléments d’optique linéaire.


  • Résumé

    Quantum information can be processed in two fundamentally different ways, using either discrete- or continuous-variable implementations. In this thesis we study theoretically how to implement discrete quantum information protocols in physical objects characterized by continuous variables. In order to do so we use modular variables as a helpful tool to reveal discrete structures in continuous-variable states, operations and observables. The present work is strongly guided by the experimental applicability of our ideas in quantum optics experiments, with a particular focus on the transverse degrees of freedom of single photons. One of the main themes of this thesis is the formulation of a framework for quantum information processing in phase-space based on the use of modular variables. The latter permit us to introduce logical states and operations allowing to manipulate discrete quantum information encoded in infinite dimensional Hilbert spaces. In particular, we consider protocols that involve measurements of judiciously chosen logical observables enabling the readout of the encoded discrete quantum information. Based on this framework we show how to perform tests of fundamental properties of quantum mechanics, such as entanglement, Bell nonlocality and contextuality, in Hilbert spaces of various dimensions. Further on, we discuss the transverse degrees of freedom of single photons as a natural platform to manipulate and measure modular variables. In particular, we demonstrate how to process discrete quantum information encoded in the spatial distribution of single photons via the optical Talbot effect - a near-field interference effect. Finally, we show for the first time how to produce deterministically d-dimensional entangled photon pairs using spontaneous parametric down-conversion and linear optical elements only.


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