Compatibilité et non-localité

Compatibility and Nonlocality

• Auteur / Autrice : Faedi Loulidi
• Direction : Ion Nechita
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 22/02/2023
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique Théorique (Toulouse ; 2003-....)
• Jury : Président / Présidente : Didier Poilblanc
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Clément Pellegrini, Cécilia Lancien
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : David Pérez-García, Stephan De Bièvre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Espaces de Hilbert

Inégalités de Bell

Théorie de l'information quantique

Mots clés libres

Incompatibilité

Information quantique

Non localité

Fondements quantique

Jeux non locaux

Norme tensoriel

Incompatibility

Quantum information

Non locality

Quantum fondations

Non locality

Tensor norms

Résumé

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.

One of the major concepts introduced by quantum theory is the compatibility of quantum measurements. There are certain types of measurements that cannot be made at the same time. Thus,we say that measurements are compatible if they can be measured at the same time and others are incompatible. The other major concept of quantum mechanics is that of nonlocality which is one of the most counterintuitive concepts of quantum physics. This major concept is due to John Bell who showed that quantum mechanics is intrinsically non-local. Thus, we speak of violation of Bell's inequalities by quantum mechanics. Today, nonlocality is understood through nonlocal games. A nonlocal game consists of two or more players Alice and Bob playing against a referee. The referee will ask a number of questions to the players who will have to generate a number of answers using a classical or quantum strategy. It turns out that the maximum number of answers that Alice and Bob can generate is intrinsically linked to a tensor norm characterizing the game. In this formalism, the use of classical strategies is related to the norm of the matrix of the game itself, so the violation of Bell's inequalities results in a strict inequality between the tensor norms. The aim of this thesis is to understand the incompatibility of quantum measures and the link with Bell's inequalities. First, we introduced the compatibility of quantum measures from a new point of view, and analyzed the types of noise that can be made to make the system compatible. This new point of view consists in understanding and analyzing the effect of the dimension of the Hilbert space on the incompatibility of measurements. Moreover, in order to make the measurements compatible, we can introduce the effect of a noise. As an application, some states known as MUB are incompatible in nature, we show that even if we add noise to the MUB it remains incompatible, there is an isometry and a Hilbert space of smaller dimension making the MUB compatible. In a second step, we have analyzed the intrinsic link between the incompatibility of quantum measurements and the violation of Bell's inequalities. For this purpose, we considered the framework of non-local games, where Alice's measurements are fixed. It is known that a violation of Bell's inequalities requires the use of incompatible measurements. On the other hand, if Alice wants to know if she will observe a violation of Bell's inequalities if she uses incompatible measures. To do this, she must compute two tensor norms of a tensor constructed from her measurements. These tensorial norms will characterize on the one hand the compatibility of Alice's measurements and on the other hand the violation of Bell's inequalities. In this natural framework, to understand the link between the incompatibility of quantum measurements and the violation of Bell's inequalities, we have to compare the two tensorial norms. Now, it turns out that for the CHSH game these two norms are equal, but it can be shown generally that they are not. We can ask ourselves if there are other types of games satisfying this equality of the tensorial norms? It turns out that we have shown that with sufficient conditions, only the CHSH game with a multiplicative constant gives the equality between the tensor norms.