Polaractivation of Hidden Private Classical Capacity Region of Quantum Channels

We define a new phenomenon for communication over noisy quantum channels. The investigated solution is called polaractivation and based on quantum polar encoding. Polaractivation is a natural consequence of the channel polarization effect in quantum systems and makes possible to open the hidden capacity regions of a noisy quantum channel by using the idea of rate increment. While in case of a classical channel only the rate of classical communication can be increased, in case of a quantum channel the channel polarization and the rate improvement can be exploited to open unreachable capacity regions. We demonstrate the results for the opening of private classical capacity-domain. We prove that the method works for arbitrary quantum channels if a given criteria in the symmetric classical capacity is satisfied. We also derived a necessary lower bound on the rate of classical communication for the polaractivation of private classical capacity-domain.Comment: 49 pages, 13 figures (with supplemental material), minor changes, Journal-ref: IEEE Symposium on Quantum Computing and Computational Intelligence 2013 (IEEE QCCI 2013

Resource theories of quantum dynamics

(English) As one of our most successful theories, quantum theory has greatly strengthened our understanding of nature and significantly advanced technologies. Specifically, quantum effects provide advantages in a broad range of information processing tasks. The exploration of the interplay of quantum phenomena and information theory is the interdisciplinary field dubbed quantum information theory. Since its inception, quantum information theory has revolutionised our understanding of quantum phenomena and shown that various quantum properties act as resources for performing useful tasks, such as computation, information transmission, energy extraction, cryptography, metrology, and information storage. These findings set the stage for the theoretical approaches termed quantum resource theories, which allow in a mathematically rigorous fashion to describe a wide range of quantum phenomena. Quantum information theory identifies several intriguing quantum properties, and quantum resource theories provide the means to construct the ‘rulers’ to measure these properties operationally. However, despite their great success in describing ‘static’ quantum phenomena, it was unknown whether resource theories would be as powerful in their descriptions of physical systems that ‘evolve in time’, namely, when we consider ‘dynamical’ quantum properties. Recent results have allowed us to extend quantum resource theories to the dynamical regime, which has already revealed novel links between quantum communication, quantum memory, and quantum thermodynamics. This thesis aims at substantially developing this newly-established, interdisciplinary research direction that is called dynamical resource theories. The main contributions of the thesis are divided into three parts. The first part focuses on improving our understanding of dynamical resource theories' general structures. Adopting the resource-theoretical approaches, we formulate `the ability of quantum dynamics to preserve a physical property' as a dynamical resource. The resulting framework is called resource preservability theories. We systematically study their theoretical structures and further explore their applications to communication and thermodynamics. In the second part, we upgrade our discussion from a single quantum dynamics to a collection of local quantum dynamics. In this regime, an important question is whether the given local dynamics can be realised simultaneously; namely, as the marginals of a single, global dynamics. To systematically address this question, we introduce the channel marginal problems (CMPs), which are dynamical generalisations of the well-known state marginal problems. Using the resource-theoretical approach, we analyze CMPs' general solutions via semi-definite programming, which helps us derive a witness form and operational interpretations of CMPs. Finally, in the last part, we consider a specific question that is behind the structures of dynamical resource theories and channel marginal problems: We ask whether globally distributed quantum entanglement can survive locally performed thermalisation when shared randomness is the only allowed resource to assist the process. Such a dynamics, whenever it exists, is called ntanglement preserving local thermalisation. We show that such dynamics exist for every nonzero local temperatures and non-degenerate finite-energy local Hamiltonians. In summary, in this thesis we contribute to the field of dynamical resource theories by introducing general frameworks to describe quantum resource preservation and compatibility of local quantum dynamics. Our general results have implications across quantum physics, quantum communication, thermodynamics of quantum systems, and causal structures.(Català) Essent una de les nostres teories amb més èxit, la teoria quàntica ha enfortit molt la nostra comprensió de la natura i les tecnologies significativament avançades. Concretament, els efectes quàntics proporcionen avantatges en una àmplia gamma de tasques de processament de la informació. L'exploració de la interacció dels fenòmens quàntics i la teoria de la informació és el camp interdisciplinari anomenat teoria de la informació quàntica. Des dels seus inicis, la teoria de la informació quàntica ha revolucionat la nostra comprensió dels fenòmens quàntics i ha demostrat que diverses propietats quàntiques actuen com a recursos per realitzar tasques útils, com ara la computació, la transmissió d'informació, l'extracció d'energia, la criptografia, la metrologia i l'emmagatzematge d'informació. Aquests descobriments han establert l'escenari per als enfocaments teòrics que s¿anomenen teories de recursos quàntics, i que permeten descriure de manera matemàticament rigorosa una àmplia gamma de fenòmens quàntics. La teoria de la informació quàntica identifica diverses propietats quàntiques intrigants, i les teories dels recursos quàntics proporcionen els mitjans per construir les "normes" per mesurar aquestes propietats de manera operativa. Tanmateix, malgrat el seu gran èxit a l'hora de descriure fenòmens quàntics "estàtics", es desconeixia si les teories dels recursos serien tan poderoses en les seves descripcions de sistemes físics que "evolucionen en el temps", és a dir, quan considerem les propietats quàntiques "dinàmiques". Els resultats recents ens han permès estendre les teories dels recursos quàntics al règim dinàmic, que ja ha revelat vincles novedosos entre la comunicació quàntica, la memòria quàntica i la termodinàmica quàntica. Aquesta tesi té com a objectiu desenvolupar substancialment aquesta direcció de recerca interdisciplinària recentment establerta que s'anomena teories de recursos dinàmics. Les principals contribucions d¿aquesta tesi es divideixen en tres parts. La primera part se centra en millorar la nostra comprensió de les estructures generals de les teories de recursos dinàmics. Adoptant els enfocaments teòrics dels recursos, formulem "la capacitat de la dinàmica quàntica de preservar una propietat física" com a recurs dinàmic. El marc resultant s'anomena teories de preservabilitat de recursos. Estudiem sistemàticament les seves estructures teòriques i explorem més les seves aplicacions a la comunicació i la termodinàmica. A la segona part, anem més enllà de la nostra discussió d'una única dinàmica quàntica, considerant una col·lecció de dinàmiques quàntiques locals. En aquest règim, una qüestió important és si la dinàmica local donada es pot realitzar simultàniament; és a dir, com els marginals d'una única dinàmica global. Per abordar aquesta qüestió sistemàticament, introduïm els problemes marginals de canal (CMP), que són generalitzacions dinàmiques dels coneguts problemes marginals d'estat. Fent ús de l'enfocament teòric dels recursos, analitzem les solucions generals dels CMP mitjançant el que es coneix com a programació semidefinida, que ens ajuda a obtenir una forma de corroborar els CMP i les seves interpretacions operatives. Els nostres resultats també mostren que principis fonamentals com la monogàmia d'entrellaçament i el teorema de no-clonació tenen un paper essencial en els CMP. Finalment, a l'última part, considerem una qüestió específica que hi ha darrere de les estructures de les teories dels recursos dinàmics i dels problemes marginals del canal: ens preguntem si l¿entrellaçament quàntic distribuït globalment pot sobreviure a la termalització realitzada localment quan l'aleatorietat compartida és l'únic recurs permès per ajudar el procés. Aquesta dinàmica, sempre i quan existeixi, s'anomena entrellaçament que preserva la termalització local (EPLT). Mostrem que els EPLT existeixen per a qualsevol temperatura local diferent de zero i hamiltonians locals d’energia finita no degenerada. (...)(Español) Siendo una de nuestras teorías con más éxito, la teoría cuántica ha fortalecido en gran medida nuestra comprensión de la naturaleza y las tecnologías significativamente avanzadas. En concreto, los efectos cuánticos traen consigo ventajas en una amplia gama de tareas de procesamiento de información. La exploración de la interacción de los fenómenos cuánticos y la teoría de la información es el campo interdisciplinario denominado teoría cuántica de la información. Desde sus inicios, la teoría de la información cuántica ha revolucionado nuestra comprensión de los fenómenos cuánticos y ha demostrado que varias propiedades cuánticas actúan como recursos para realizar tareas útiles, como computación, transmisión de información, extracción de energía, criptografía, metrología y almacenamiento de información. Estos hallazgos preparan el escenario para los enfoques teóricos denominados teorías cuánticas de recursos, que permiten describir de manera matemáticamente rigurosa una amplia gama de fenómenos cuánticos. La teoría de la información cuántica identifica varias propiedades cuánticas intrigantes, y las teorías de recursos cuánticos proporcionan los medios para construir las” reglas” para medir estas propiedades. Sin embargo, a pesar de su gran éxito en la descripción de fenómenos cuánticos “estáticos”, se desconocía si las teorías de recursos serían tan poderosas en sus descripciones de sistemas físicos que “evolucionan en el tiempo”, es decir, cuando consideramos las propiedades cuánticas “dinámicas”. Los resultados recientes nos han permitido extender las teorías cuánticas de recursos al régimen dinámico, lo que ya ha revelado novedosos vínculos entre la comunicación cuántica, la memoria cuántica y la termodinámica cuántica. Esta tesis tiene como objetivo desarrollar sustancialmente esta dirección de investigación interdisciplinaria recientemente establecida que se llama em teorías dinámicas de recursos. Las principales contribuciones de la tesis se dividen en tres partes. La primera parte (Capítulo 3) se enfoca en mejorar nuestra comprensión de las estructuras generales de las teorías dinámicas de recursos. Adoptando los enfoques teóricos de los recursos, formulamos “la capacidad de la dinámica cuántica para preservar una propiedad física” como un recurso dinámico. El marco resultante se denomina teorías de conservación de recursos. Estudiamos sistemáticamente sus estructuras teóricas y exploramos más a fondo sus aplicaciones en la comunicación y la termodinámica. Más específicamente, las teorías de conservación de recursos nos permiten comprender las conexiones entre (a) la capacidad de una dinámica cuántica para mantener los sistemas fuera del equilibrio térmico, (b) el tamaño más pequeño del baño de calor que es necesario para termalizar todas las salidas de la dinámica cuántica y (c) la capacidad de la dinámica cuántica para transmitir información clásica. Esto dibuja uno de los primeros vínculos cuantitativos entre la comunicación cuántica y la termodinámica. En la segunda parte (Capítulo 4), generalizamos nuestra discusión de una única dinámica cuántica a una colección de dinámicas cuánticas locales. En este régimen, una pregunta importante es si la dinámica local dada puede realizarse simultáneamente; es decir, como los marginales de una única dinámica global. Para abordar sistemáticamente esta pregunta, presentamos los problemas marginales de canal (CMP), que son generalizaciones dinámicas de los conocidos problemas marginales de estado. Utilizando el enfoque teórico de recursos, analizamos las soluciones generales de los CMP a través de lo que se conoce como programación semidefinida, lo que nos ayuda a derivar una forma de comprobar los CMP y nos da interpretaciones operativas de los mismos. Nuestros hallazgos también muestran que los principios fundamentales como la monogamia del entrelazamiento y el teorema de no-clonación juegan un papel esencial en los CMP. Finalmente, en la última parte (Capítulo 5), consideramos una pregunta específica que está detrás de las estructuras de las teorías de recursos dinámicos y los problemas marginales del canal: nos preguntamos si el entrelazamiento cuántico distribuido globalmente puede sobrevivir a la termalización realizada localmente cuando la aleatoriedad compartida es el único recurso permitido para ayudar en el proceso. Esa dinámica, siempre que exista, se denomina entrelazamiento que preserva la termalización local (EPLT). Demostramos que los EPLT existen para todas las temperaturas locales distintas de cero y hamiltonianos locales de energía finita no degenerados. Nuestros hallazgos ilustran la generalidad de los EPLT. Además, discutimos el mecanismo físico detrás de los EPLT, y nuestro cálculo sugiere que la existencia de los EPLT se basa en un “efecto de aceleración” de la termalización que ocurre localmente. En resumen, en esta tesis contribuimos al campo de las teorías de recursos dinámicos mediante la introducción de marcos generales para describir la preservación de recursos cuánticos y la compatibilidad de la dinámica cuántica local. Nuestros resultados generales tienen implicaciones en la física cuántica, la comunicación cuántica, la termodinámica de los sistemas cuánticos y las estructuras causales.Postprint (published version

A Survey on Quantum Channel Capacities

Quantum information processing exploits the quantum nature of information. It offers fundamentally new solutions in the field of computer science and extends the possibilities to a level that cannot be imagined in classical communication systems. For quantum communication channels, many new capacity definitions were developed in comparison to classical counterparts. A quantum channel can be used to realize classical information transmission or to deliver quantum information, such as quantum entanglement. Here we review the properties of the quantum communication channel, the various capacity measures and the fundamental differences between the classical and quantum channels.Comment: 58 pages, Journal-ref: IEEE Communications Surveys and Tutorials (2018) (updated & improved version of arXiv:1208.1270

Quantum channels and their entropic characteristics

One of the major achievements of the recently emerged quantum information theory is the introduction and thorough investigation of the notion of quantum channel which is a basic building block of any data-transmitting or data-processing system. This development resulted in an elaborated structural theory and was accompanied by the discovery of a whole spectrum of entropic quantities, notably the channel capacities, characterizing information-processing performance of the channels. This paper gives a survey of the main properties of quantum channels and of their entropic characterization, with a variety of examples for finite dimensional quantum systems. We also touch upon the "continuous-variables" case, which provides an arena for quantum Gaussian systems. Most of the practical realizations of quantum information processing were implemented in such systems, in particular based on principles of quantum optics. Several important entropic quantities are introduced and used to describe the basic channel capacity formulas. The remarkable role of the specific quantum correlations - entanglement - as a novel communication resource, is stressed.Comment: review article, 60 pages, 5 figures, 194 references; Rep. Prog. Phys. (in press

Entanglement and non local correlations: quantum resources for information processing

Quantum Information Theory (QIT) studies how information can be processed and transmitted when encoded on quantum states. Practically, it can be understood as the effort to generalize Classical Information Theory to the quantum world. Interestingly, the fact that very-small scale Physics differs considerably from that of macroscopic objects offers a richer structure to the new theory. Among other phenomena, entanglement is at the heart of many quantum information protocols. It is the most spectacular and counter-intuitive manifestation of quantum mechanics: it signifies the existence of non-local correlations. Although intrinsically non-intuitive, these strange effects have been shown to lead to intriguing applications with no classical analogue. The main scope of this thesis is to establish qualitative and quantitative connections among the different quantum and classical information resources. Among the many weird effects that quantum systems present, the non-additivity concept plays an important role. In the quantum realm, the joint processing of two quantum resources is often better than the sum of the two resources. Activation is the strongest manifestation of non-additivity. It can be understood as the capability of two objects to achieve a given task that is impossible for each of them when considered individually. From a classical point of view, it is unknown whether such a process can hold. Here we focus on the classical secret-key rate. We provide two probability distributions conjectured to have bound information, hence from which it is conjectured that no secret key can be extracted when taken individually, but that lead to a positive secret-key rate when combined. For that, we exploit the close connection between the information-theoretic key agreement and the quantum entanglement scenario. Successively, we move to the multipartite scenario showing a one-to-one correspondence between bound information and bound entanglement. We provide an example of multipartite bound information which shares the same features of its quantum analogue, the Smolin state. Later, we move to prove a deep connection between privacy and non-locality. We do it by showing that all private states violate the Bell-CHSH inequality. Private states are those entangled states from which a perfectly secure cryptographic key can be extracted. An example of those is the maximally entangled state. But still, there are other private states that are not maximally entangled. While a maximally entangled state violates a Bell's inequality, this is not known a priori for the whole set. We give a general proof valid for any dimension and any number of parties. Private states, then, not only represent the unit of quantum privacy, but also allow two distant parties to establish a different quantum resource, namely non-local correlations. Lastly, we tackle the connection between non-locality and genuine randomness. Non-locality and genuine intrinsic randomness have been the subject of active interest since the early days of quantum physics. Initially, this interest was mainly derived from their foundational and fundamental implications but recently it also has acquired a practical aspect. Recent development in device independent scenario have heightened the need to quantify both the randomness and non-locality inherent in quantum systems. While some works try to deepen this relation, we provide a simple method to detect Bell tests that allow the certification of maximal randomness. These arguments exploit the symmetries of Bell inequalities and assume the uniqueness of the quantum probability distribution maximally violating it. We show how these arguments can be applied to intuit the randomness intrinsic in a probability distribution without resorting to numerical calculations.La Teoría de la Información Cuántica (QIT) estudia como la información puede ser procesada y transmitida al codificarse en estados cuánticos. Prácticamente, se puede pensar como la generalización de la Teoría de Información Clásica al mundo cuántico. El hecho que la física a esta escala difiera considerablemente de aquella de los objetos macroscópicos ofrece una mayor riqueza a la estructura de la nueva teoría. Entre otros fenómenos, el entrelazamiento está a la base de muchos protocolos cuánticos. Es la más espectacular y anti-intuitiva manifestación de la mecánica cuántica observada en sistemas cuánticos compuestos: implica la existencia de correlaciones no-locales. No obstante la extrañeza de estos efectos, se han demostrado distintas aplicaciones sin ningún análogo clásico. El objetivo de esta tesis es establecer conexiones cualitativas y cuantitativas entre los diferentes recursos descritos por la teoría cuántica y clásica. Entre los efectos raros que los sistemas cuánticos muestran, la no-aditividad desempeña un papel muy importante. En el mundo cuántico, el uso de dos recursos cuánticos puede ser más ventajoso que la suma de los dos, considerados individualmente. La activación es la mas fuerte manifestación del fenómeno de no-aditividad. Este proceso se puede entender como la capacidad de dos objetos juntos de lograr una tarea que sería imposible por cada uno de ellos singularmente. Desde un punto de vista clásico, es desconocido si existen procesos o cantidades que no respetan la aditividad. Aquí, nos centramos en la tasa de clave secreta. Presentamos aquí dos distribuciones de probabilidad que conjeturamos contener bound information, o sea a partir de la cuales es imposible destilar bits secretos que dan bits secretos cuando utilizadas conjuntamente. Para probar este resultado, utilizamos la conexión existente entre entrelazamiento y el proceso de establecimiento de seguridad. Sucesivamente desplazándonos al caso multipartito, probamos una correspondencia uno a uno entre la bound information y el entrelazamiento no-destilable. Presentamos un ejemplo de bound information multipartita que comparte las mismas propiedades de su análogo cuántico, el estado de Smolin. Luego profundizamos la relación entre privacidad y no-localidad. Probamos que todos los estados que pertenecen al conjunto de estados privados violan una desigualdad de Bell, conocida como CHSH. Los estados privados son aquellos estados entrelazados de los cuales es posible extraer una clave secreta. Un ejemplo de estos estados es el estado máximamente entrelazado, pero hay otros que son privados aunque no máximamente entrelazados. Es conocido que un estado máximamente entrelazado puede violar una desigualdad de Bell, pero lo que se desconoce es si esto pasa para todos los estados privados. Nuestro resultado es general ya que nuestra prueba es válida para cualquier número de partes y cualquier dimensión del espacio local de cada una. Los estados privados, entonces, no solo permiten destilar una clave de forma segura sino que también presentan una propiedad tan fuerte como la no-localidad. Finalmente, investigamos la relación entre los conceptos de no-localidad y de aleatoriedad. Desde los orígenes de la teoría cuántica, los conceptos de no-localidad y de aleatoriedad fueron objeto de gran interés. A principio este interés se debía más a razones relacionadas con los fundamentos de la teoría, pero recientes resultados han empujado la comunidad científica a investigar ulteriormente y sobre todo a cuantificar la no-localidad y la aleatoriedad presente en los estados cuánticos. Aunque algunos autores se hayan movido en esta direccion, muchas preguntas han quedado sin respuestas. Aquí presentamos un simple método que permite detectar aquellas desigualdades de Bell que pueden certificar la presencia de máxima aleatoriedad. Nuestros resultados prueban como simples argumentos pueden dar complejas respuestas sin la necesidad de recorrer a computaciones numéricas

A Lower Bound on the Space Overhead of Fault-Tolerant Quantum Computation

The threshold theorem is a fundamental result in the theory of fault-tolerant quantum computation stating that arbitrarily long quantum computations can be performed with a polylogarithmic overhead provided the noise level is below a constant level. A recent work by Fawzi, Grospellier and Leverrier (FOCS 2018) building on a result by Gottesman (QIC 2013) has shown that the space overhead can be asymptotically reduced to a constant independent of the circuit provided we only consider circuits with a length bounded by a polynomial in the width. In this work, using a minimal model for quantum fault tolerance, we establish a general lower bound on the space overhead required to achieve fault tolerance. For any non-unitary qubit channel ? and any quantum fault tolerance schemes against i.i.d. noise modeled by ?, we prove a lower bound of max{Q(?)^{-1}n,?_? log T} on the number of physical qubits, for circuits of length T and width n. Here, Q(?) denotes the quantum capacity of ? and ?_? > 0 is a constant only depending on the channel ?. In our model, we allow for qubits to be replaced by fresh ones during the execution of the circuit and in the case of unital noise, we allow classical computation to be free and perfect. This improves upon results that assumed classical computations to be also affected by noise, and that sometimes did not allow for fresh qubits to be added. Along the way, we prove an exponential upper bound on the maximal length of fault-tolerant quantum computation with amplitude damping noise resolving a conjecture by Ben-Or, Gottesman and Hassidim (2013)