The decoupling approach to quantum information theory

Abstract

La théorie de l'information quantique étudie les limites fondamentales qu'imposent les lois de la physique sur les tâches de traitement de données comme la compression et la transmission de données sur un canal bruité. Cette thèse présente des techniques générales permettant de résoudre plusieurs problèmes fondamentaux de la théorie de l'information quantique dans un seul et même cadre. Le théorème central de cette thèse énonce l'existence d'un protocole permettant de transmettre des données quantiques que le receveur connaît déjà partiellement à l'aide d'une seule utilisation d'un canal quantique bruité. Ce théorème a de plus comme corollaires immédiats plusieurs théorèmes centraux de la théorie de l'information quantique.

Les chapitres suivants utilisent ce théorème pour prouver l'existence de nouveaux protocoles pour deux autres types de canaux quantiques, soit les canaux de diffusion quantiques et les canaux quantiques avec information supplémentaire fournie au transmetteur. Ces protocoles traitent aussi de la transmission de données quantiques partiellement connues du receveur à l'aide d'une seule utilisation du canal, et ont comme corollaires des versions asymptotiques avec et sans intrication auxiliaire. Les versions asymptotiques avec intrication auxiliaire peuvent, dans les deux cas, être considérées comme des versions quantiques des meilleurs théorèmes de codage connus pour les versions classiques de ces problèmes.

Le dernier chapitre traite d'un phénomène purement quantique appelé verrouillage: il est possible d'encoder un message classique dans un état quantique de sorte qu'en lui enlevant un sous-système de taille logarithmique par rapport à sa taille totale, on puisse s'assurer qu'aucune mesure ne puisse avoir de corrélation significative avec le message. Le message se trouve donc «verrouillé» par une clé de taille logarithmique. Cette thèse présente le premier protocole de verrouillage dont le critère de succès est que la distance trace entre la distribution jointe du message et du résultat de la mesure et le produit de leur marginales soit suffisamment petite.

Quantum information theory studies the fundamental limits that physical laws impose on information processing tasks such as data compression and data transmission on noisy channels. This thesis presents general techniques that allow one to solve many fundamental problems of quantum information theory in a unified framework. The central theorem of this thesis proves the existence of a protocol that transmits quantum data that is partially known to the receiver through a single use of an arbitrary noisy quantum channel. In addition to the intrinsic interest of this problem, this theorem has as immediate corollaries several central theorems of quantum information theory.

The following chapters use this theorem to prove the existence of new protocols for two other types of quantum channels, namely quantum broadcast channels and quantum channels with side information at the transmitter. These protocols also involve sending quantum information partially known by the receiver with a single use of the channel, and have as corollaries entanglement-assisted and unassisted asymptotic coding theorems. The entanglement-assisted asymptotic versions can, in both cases, be considered as quantum versions of the best coding theorems known for the classical versions of these problems.

The last chapter deals with a purely quantum phenomenon called locking. We demonstrate that it is possible to encode a classical message into a quantum state such that, by removing a subsystem of logarithmic size with respect to its total size, no measurement can have significant correlations with the message. The message is therefore "locked" by a logarithmic-size key. This thesis presents the first locking protocol for which the success criterion is that the trace distance between the joint distribution of the message and the measurement result and the product of their marginals be sufficiently small.