Exploiter la causalité indéfinie dans des modèles de calcul quantique

Exploiting causal indefiniteness in quantum computational models

• Auteur / Autrice : Maarten Grothus
• Direction : Cyril Branciard
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique Théorique
• Date : Inscription en doctorat le 01/04/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel

Mots clés

Mots clés libres

Information quantique

Causalité quantique

Structures causales indéfinies

Modèles de calcul quantique

Quantum information

Quantum causality

Indefinite causal structures

Quantum computational models

Résumé

Le calcul quantique exploite des resources quantiques – telles que l'intrication et la superposition – de systèmes quantiques pour obtenir de meilleures efficacités. Le modèle standard de calcul quantique est celui des circuits quantiques, dans lequel des portes quantiques sont appliquées dans un ordre 'causal' fixe. De récents travaux ont néanmoins mis en évidence la possibilité d'effectuer des calculs selon un ordre causal indéfini. Des premiers résultats sur un protocole simple, appelé 'commutateur quantique' ('quantum switch'), ont montré que les calculs dans un ordre causal indéfini pouvaient présenter de nouveaux avantages pour le traitement quantique de l'information, allant au-delà des circuits quantiques standards. Différents modèles ont récemment été développés pour comprendre et explorer les ordres causaux indéfinis, tels que les 'circuits quantiques à contrôle quantique de l'ordre causal' ('quantum circuits with quantum control of causal order'), les 'portes quantiques adressables' ('addressable quantum gates'), les 'boites causales' ('causal boxes'), les 'circuits routés' ('routed circuits'), ou encore le 'PBS-calcul' ('PBS-calculus'). La relation entre ces différentes approches, et les avantages potentiels qu'elles permettent en termes de calculs, ne sont cependant pas encore bien compris au-delà de quelques exemples spécifiques. Cette thèse vise à adresser ce problème, et de développer une compréhension plus systématique des capacités de calcul offertes par la causalité indéfinie.

Quantum computation exploits non-classical resources – such as entanglement and superposition – in quantum systems to obtain computational advantages. The standard model of quantum computation is that of quantum circuits, in which quantum gates are applied in a fixed “causal” order. Recent foundational work has highlighted the novel possibility to process information in an indefinite causal order. Initial work on a simple protocol, known as the 'quantum switch', shows that causally indefinite computations may provide new advantages for quantum information processing even beyond quantum circuits. Several models have recently been developed in an attempt to understand and explore causally indefinite computations, including 'quantum circuits with quantum control of causal order', 'addressable quantum gates', 'causal boxes', 'routed circuits' and the 'PBS-calculus'. The relation between these approaches is not yet properly understood however, let alone the potential advantages of causally indefinite computation beyond a few specific examples. This PhD project will work to address this situation, taking a step towards developing a more systematic understanding of the computational capabilities of causal indefiniteness.