SHETTELL Nathan

doctorant à Sorbonne Université
Équipe : QI
https://lip6.fr/Nathan.Shettell

Direction de recherche : Damian MARKHAM

Techniques d'Information Quantique pour la Métrologie Quantique

La métrologie quantique} est une discipline prometteuse de l'information quantique qui connaît actuellement une vague de percées expérimentales et de développements théoriques. L'objectif principal de la métrologie quantique est d'estimer des paramètres inconnus aussi précisément que possible. En utilisant des ressources quantiques comme sondes, il est possible d'atteindre une précision de mesure qui serait autrement impossible en utilisant les meilleures stratégies classiques. Par exemple, en ce qui concerne la tâche d'estimation de la phase, la précision maximale (la limite d'Heisenberg) est un gain de précision quadratique par rapport aux meilleures stratégies classiques. Bien entendu, la métrologie quantique n'est pas la seule technologie quantique qui connaît actuellement des avancées. Le thème de cette thèse est l'exploration de la manière dont la métrologie quantique peut être améliorée par d'autres techniques quantiques lorsque cela est approprié, à savoir : les états graphiques, la correction d'erreurs et la cryptographie.
Les états de graphes sont une ressource incroyablement utile et polyvalente dans l'information quantique. Nous aidons à déterminer l'étendue de l'applicabilité des états de graphes en quantifiant leur utilité pour la tâche de métrologie quantique de l'estimation de phase. En particulier, l'utilité d'un état de graphe peut être caractérisée en fonction de la forme du graphe correspondant. À partir de là, nous concevons une méthode pour transformer tout état de graphe en un état de graphe plus grand (appelé "bundled graph states") qui sature approximativement la limite de Heisenberg. En outre, nous montrons que les états de graphe constituent une ressource robuste contre les effets du bruit (le déphasage et un petit nombre d'effacements) et que la limite quantique de Cramér-Rao peut être saturée par une simple stratégie de mesure.
Le bruit issu de l’environnement est l'un des principaux obstacles à la métrologie quantique, qui limite la précision et la sensibilité qu'elle peut atteindre. Il a été démontré que si le bruit environnemental peut être distingué de la dynamique de la tâche de métrologie quantique, des applications fréquentes de correction d'erreurs peuvent être utilisées pour combattre les effets du bruit. En pratique, cependant, la fréquence de correction d'erreurs requise pour maintenir une précision de type Heisenberg est impossible à atteindre pour les technologies quantiques actuelles. Nous explorons les limites de la métrologie quantique améliorée par la correction d'erreurs en prenant en compte les contraintes et les obstacles technologiques, à partir desquels nous établissons le régime dans lequel la limite d'Heisenberg peut être maintenue en présence de bruit.
La mise en œuvre complète d'un problème de métrologie quantique est technologiquement exigeante : des états quantiques intriqués doivent être générés et mesurés avec une grande fidélité. Une solution, dans le cas où l'on ne dispose pas de tout le matériel quantique nécessaire, consiste à déléguer une tâche à un tiers. Ce faisant, plusieurs problèmes de sécurité se posent naturellement en raison de la possibilité d'interférence d'un adversaire malveillant. Nous abordons ces questions en développant la notion de cadre cryptographique pour la métrologie quantique. Nous montrons que la précision du problème de la métrologie quantique peut être directement liée à la solidité d'un protocole cryptographique employé. En outre, nous développons des protocoles cryptographiques pour une variété de paramètres motivés par la cryptographie, à savoir : la métrologie quantique sur un canal quantique non sécurisé et la métrologie quantique avec une tâche déléguée à une partie non fiable.
Les réseaux de détection quantique ont suscité un intérêt croissant dans la communauté de la métrologie quantique au cours des dernières années. Ils constituent un choix naturel pour les problèmes distribués dans l'espace et les problèmes multiparamètres. Les trois techniques proposées, les états de graphes, la correction d'erreurs et la cryptographie s'intègrent naturellement dans les réseaux de détection quantique. Les états de graphes sont un candidat bien connu pour la description d'un réseau quantique, la correction d'erreurs peut être utilisée pour atténuer les effets d'un canal quantique bruyant et le cadre cryptographique de la métrologie quantique peut être utilisé pour ajouter un sentiment de sécurité. La combinaison formelle de ces travaux est une perspective future.

Soutenance : 20/12/2021

Membres du jury :

Jacob Dunningham, Professor, University of Sussex, Angleterre [Rapporteur]
Pieter Kok, Professeur, University of Sheffield, Angleterre [Rapporteur]
Lorenzo Maccone, Professeur, Università di Pavia, Italie
Nicolas Treps, Professeur, Sorbonne Université, France
Pérola Milman, Directrice de recherche, CNRS, France
Damian Markham, Chargé de recherche, CNRS, France

Date de départ : 31/12/2021

Publications 2019-2022