Bounding the Minimum Time of a Quantum Measurement

Measurements take a singular role in quantum theory. While they are often idealized as an instantaneous process, this is in conflict with all other physical processes in nature. In this Letter, we adopt a standpoint where the interaction with an environment is a crucial ingredient for the occurrence of a measurement. Within this framework, we derive lower bounds on the time needed for a measurement to occur. Our bound scales proportionally to the change in entropy of the measured system, and decreases as the number of of possible measurement outcomes or the interaction strength driving the measurement increases. We evaluate our bound in two examples where the environment is modelled by bosonic modes and the measurement apparatus is modelled by spins or bosons

Population-level benefits of increasing influenza vaccination uptake among Italian older adults: results from a granular panel model

BackgroundThe impact of seasonal influenza vaccination (SIV) on mortality is still controversial; some studies have claimed that increasing vaccination coverage rates is beneficial, while others have found no significant association. This study aimed to construct a granular longitudinal dataset of local VCRs and assess their effect on pneumonia- and influenza-related (P&I) mortality among Italian adults aged ≥ 65 years.MethodsNUTS-3 (nomenclature of territorial units for statistics) level data on SIV coverage were collected via a survey of local data holders. Fixed- and random-effects panel regression modeling, when adjusted for potential confounders, was performed to assess the association between local SIV coverage rates and P&I mortality in older adults.ResultsA total of 1,144 local VCRs from 2003 to 2019 were ascertained. In the fully adjusted fixed-effects model, each 1% increase in vaccination coverage was associated (P < 0.001) with a 0.6% (95% CI: 0.3–0.9%) average over-time decrease in P&I mortality. With an annual average of 9,293 P&I deaths in Italy, this model suggested that 56 deaths could have been avoided each year by increasing SIV coverage by 1%. The random-effects model produced similar results. The base-case results were robust in a sensitivity analysis.ConclusionOver the last two decades, Italian jurisdictions with higher SIV uptake had, on average, fewer P&I deaths among older adults. Local policy-makers should implement effective strategies to increase SIV coverage in the Italian senior population

Protocoles pratiques pour les réseaux de communication quantique

In this thesis, we study networks of entangled quantum optical systems at different degrees of complexity, with a special regard to their application to quantum communication scenarios. In quantum communication, we want to allow two or more distant parties to exploit the properties of quantum systems to communicate in a certain way that would be unattainable with classical technology. The archetype of quantum communication is Quantum Key Distribution (QKD), that allows two agents to share a secret random key to perform secure communications, while preventing a third malicious agent from gaining knowledge about their key. In this manuscript, however, we will explore quantum communication scenarios that go beyond standard QKD in order to test the many possibilities offered by interconnected networks of quantum devices, also known as quantum internet. Specifically, we present three different types of quantum networks, that correspond to three levels of complexity of the quantum internet. In each of these levels, we describe the communication scenario, the physical requirements necessary to build the specific architecture and a novel quantum protocol that cannot be reproduced without quantum resources. In this work, we paid particular attention to the "practicality" of the protocols, namely the fact that it should be possible to implement them in realistic conditions with current technology, at least as a proof of principle. The first concerns an interactive proof quantum protocol showing experimental evidence of computational quantum advantage in the interactive setting for the first time. In this scenario, we have a computationally unbounded quantum prover who wants to convince an honest verifier of the existence of a certain solution to a complex mathematical problem, by sending part of the proof in the form of quantum states. Our quantum scheme lets the verifier verify the prover's assertion without actually receiving the whole solution. We prove that if the agents were not allowed to use quantum resources, the verification protocol would require an exponential time in the size of the solution, leading to a quantum advantage in computational time that we could demonstrate in our laboratory. The second copes with an electronic-voting protocol that exploits an untrusted multipartite entangled quantum source to carry on an election without relying on election authorities, whose result is publicly verifiable without compromising the robustness of the scheme and that can be readily implemented with state-of-the-art technology for a small number of voters. Unlike previous results, our scheme does not require simultaneous broadcasting and works also in noisy scenarios, where the security is bounded by the fidelity of the quantum state being used. Last, we simulate many modes squeezed states as continuous variables Gaussian quantum networks with complex topologies, characterizing their correlations and estimating the scaling of their cost while the networks grow using a squeezing resource theory. We prove a result that allows us to enhance the entanglement between two nodes in the network by measuring the multiple paths linking them and we employ this effect to devise an entanglement routing protocol, whose performance is particularly effective on large complex networks.Dans cette thèse, nous étudions les réseaux des états optiques quantiques intriqués avec différents degrés de complexité, avec une attention particulière portée à leur application dans des scénarios de communication quantique. Le but de la communication quantique est de permettre à deux ou plusieurs parties de communiquer d'une façon qui serait impossible avec de la technologie classique. L'archétype de ce domaine est la distribution de clé quantique ou quantum key distribution (QKD), qui permet à deux agents de partager une clé aléatoire secrète pour effectuer des communications sécurisées, en empêchant, au même temps, qu'un troisième agent malveillant puisse obtenir connaissance de leur clé. Dans ce manuscrit, cependant, nous explorons des scénarios de communication quantique qui vont au-delà de la QKD standard afin de tester les nombreuses possibilités offertes par les réseaux de dispositifs quantiques interconnectés, aussi appelés internet quantique. Spécifiquement, nous présentons trois types de réseaux quantiques, qui correspondent à trois niveaux de complexité d'internet quantique. Dans chaque niveau, nous décrivons le scénario de communication, les exigences physiques nécessaires pour construire l'architecture spécifique et un nouveau protocole qui ne peut pas être reproduit sans des ressources quantiques. Dans cette document, nous veillons particulièrement à la "praticité" des protocoles, notamment le fait que leur implémentation doit être possible dans des conditions réalistes avec technologie existante, au moins comme preuve du principe. Le premier concerne un protocole quantique à preuves interactives qui montre pour la première fois une preuve expérimentale d'un avantage quantique dans un cadre interactif. Dans ce scénario, il y a un prouveur avec de la puissance calculatoire illimitée qui veut convaincre un vérifieur honnête de l'existence d'une certaine solution d'un problème mathématique complexe, en lui envoyant une partie de la preuve sous forme d'états quantiques. Notre construction permet au vérifieur de vérifier l'assertion du prouveur sans recevoir la solution entière. Nous prouvons que sans ressources quantiques, le protocole de vérification exigerait un temps exponentiel en la taille de la solution, menant à un avantage quantique en terme de temps de calcul, avantage que nous avons démontré dans notre laboratoire. Le deuxième porte sur un protocole de vote électronique qui exploite un état quantique multipartite intriqué non fiable pour réaliser une élection sans s'appuyer sur des autorités électorales, dont le résultat peut être vérifié publiquement sans compromettre la robustesse de la construction et qui peut être implémenté aisément avec les technologies de pointe existantes pour un petit nombre de votant. À l'invers des résultats précédents, notre protocole n'exige pas une émission simultanée et marche aussi dans des scénarios bruyants, où la sécurité est limitée par la fidélité de l'état quantique utilisé. Enfin, nous simulons des états comprimés de la lumière de nombreux modes comme des réseaux quantique Gaussien à variables continues avec des topologies complexes, nous caractérisons leur corrélations et nous estimons l'intensification de leur coût pendant que les réseaux grandissent avec une théorie de ressource de compression. Nous prouvons un résultat qui permet de renforcer l'intrication entre deux nœuds du réseau si on mesure les chemins multiples qui les connectent et nous utilisons cet effet pour concevoir un protocole de routage d'intrication dont les performance sont particulièrement efficace dans des réseaux complexes grands

Practical protocols for quantum communication networks

Dans cette thèse, nous étudions les réseaux des états optiques quantiques intriqués avec différents degrés de complexité, avec une attention particulière portée à leur application dans des scénarios de communication quantique. Le but de la communication quantique est de permettre à deux ou plusieurs parties de communiquer d'une façon qui serait impossible avec de la technologie classique. L'archétype de ce domaine est la distribution de clé quantique ou quantum key distribution (QKD), qui permet à deux agents de partager une clé aléatoire secrète pour effectuer des communications sécurisées, en empêchant, au même temps, qu'un troisième agent malveillant puisse obtenir connaissance de leur clé. Dans ce manuscrit, cependant, nous explorons des scénarios de communication quantique qui vont au-delà de la QKD standard afin de tester les nombreuses possibilités offertes par les réseaux de dispositifs quantiques interconnectés, aussi appelés internet quantique. Spécifiquement, nous présentons trois types de réseaux quantiques, qui correspondent à trois niveaux de complexité d'internet quantique. Dans chaque niveau, nous décrivons le scénario de communication, les exigences physiques nécessaires pour construire l'architecture spécifique et un nouveau protocole qui ne peut pas être reproduit sans des ressources quantiques. Dans cette document, nous veillons particulièrement à la "praticité" des protocoles, notamment le fait que leur implémentation doit être possible dans des conditions réalistes avec technologie existante, au moins comme preuve du principe. Le premier concerne un protocole quantique à preuves interactives qui montre pour la première fois une preuve expérimentale d'un avantage quantique dans un cadre interactif. Dans ce scénario, il y a un prouveur avec de la puissance calculatoire illimitée qui veut convaincre un vérifieur honnête de l'existence d'une certaine solution d'un problème mathématique complexe, en lui envoyant une partie de la preuve sous forme d'états quantiques. Notre construction permet au vérifieur de vérifier l'assertion du prouveur sans recevoir la solution entière. Nous prouvons que sans ressources quantiques, le protocole de vérification exigerait un temps exponentiel en la taille de la solution, menant à un avantage quantique en terme de temps de calcul, avantage que nous avons démontré dans notre laboratoire. Le deuxième porte sur un protocole de vote électronique qui exploite un état quantique multipartite intriqué non fiable pour réaliser une élection sans s'appuyer sur des autorités électorales, dont le résultat peut être vérifié publiquement sans compromettre la robustesse de la construction et qui peut être implémenté aisément avec les technologies de pointe existantes pour un petit nombre de votant. À l'invers des résultats précédents, notre protocole n'exige pas une émission simultanée et marche aussi dans des scénarios bruyants, où la sécurité est limitée par la fidélité de l'état quantique utilisé. Enfin, nous simulons des états comprimés de la lumière de nombreux modes comme des réseaux quantique Gaussien à variables continues avec des topologies complexes, nous caractérisons leur corrélations et nous estimons l'intensification de leur coût pendant que les réseaux grandissent avec une théorie de ressource de compression. Nous prouvons un résultat qui permet de renforcer l'intrication entre deux nœuds du réseau si on mesure les chemins multiples qui les connectent et nous utilisons cet effet pour concevoir un protocole de routage d'intrication dont les performance sont particulièrement efficace dans des réseaux complexes grands.In this thesis, we study networks of entangled quantum optical systems at different degrees of complexity, with a special regard to their application to quantum communication scenarios. In quantum communication, we want to allow two or more distant parties to exploit the properties of quantum systems to communicate in a certain way that would be unattainable with classical technology. The archetype of quantum communication is Quantum Key Distribution (QKD), that allows two agents to share a secret random key to perform secure communications, while preventing a third malicious agent from gaining knowledge about their key. In this manuscript, however, we will explore quantum communication scenarios that go beyond standard QKD in order to test the many possibilities offered by interconnected networks of quantum devices, also known as quantum internet. Specifically, we present three different types of quantum networks, that correspond to three levels of complexity of the quantum internet. In each of these levels, we describe the communication scenario, the physical requirements necessary to build the specific architecture and a novel quantum protocol that cannot be reproduced without quantum resources. In this work, we paid particular attention to the "practicality" of the protocols, namely the fact that it should be possible to implement them in realistic conditions with current technology, at least as a proof of principle. The first concerns an interactive proof quantum protocol showing experimental evidence of computational quantum advantage in the interactive setting for the first time. In this scenario, we have a computationally unbounded quantum prover who wants to convince an honest verifier of the existence of a certain solution to a complex mathematical problem, by sending part of the proof in the form of quantum states. Our quantum scheme lets the verifier verify the prover's assertion without actually receiving the whole solution. We prove that if the agents were not allowed to use quantum resources, the verification protocol would require an exponential time in the size of the solution, leading to a quantum advantage in computational time that we could demonstrate in our laboratory. The second copes with an electronic-voting protocol that exploits an untrusted multipartite entangled quantum source to carry on an election without relying on election authorities, whose result is publicly verifiable without compromising the robustness of the scheme and that can be readily implemented with state-of-the-art technology for a small number of voters. Unlike previous results, our scheme does not require simultaneous broadcasting and works also in noisy scenarios, where the security is bounded by the fidelity of the quantum state being used. Last, we simulate many modes squeezed states as continuous variables Gaussian quantum networks with complex topologies, characterizing their correlations and estimating the scaling of their cost while the networks grow using a squeezing resource theory. We prove a result that allows us to enhance the entanglement between two nodes in the network by measuring the multiple paths linking them and we employ this effect to devise an entanglement routing protocol, whose performance is particularly effective on large complex networks

Quantum Protocol for Electronic Voting without Election Authorities

International audienceElectronic voting is a very useful but challenging internet-based protocol that despite many theoretical approaches and various implementations with different degrees of success, remains a contentious topic due to issues in reliability and security. Here we present a quantum protocol that exploits an untrusted source of multipartite entanglement to carry out an election without relying on election authorities, simultaneous broadcasting, or computational assumptions, and whose result is publicly verifiable. The level of security depends directly on the fidelity of the shared multipartite entangled quantum state, and the protocol can be readily implemented for a few voters with state-of-the-art photonic technology

Reversibility and quantum coherence in one-dimensional quantum cellular automata

Quantum cellular automata are important tools in understanding quantum dynamics, thanks to their simple and effective list of rules. Here we consider a class of noisy, one-dimensional quantum cellular automata that allow one to shift from unitary dynamics to completely positive maps, investigating the evolution of coherence as well as the notion of reversibility in such a setting. To this aim, we associate an approximate reverse automaton to each noisy automaton, and assess its effect, and we define an irreversibility time based on the distance from the maximally mixed state, which is shown to be the only attractor of the automaton map in the presence of dephasing. Our analysis illustrates the interplay between unitary and noisy dynamics

Clinical Consequences and Functional Impact of the Rare S737F CFTR Variant and Its Responsiveness to CFTR Modulators

S737F is a Cystic Fibrosis (CF) transmembrane conductance regulator (CFTR) missense variant. The aim of our study was to describe the clinical features of a cohort of individuals carrying this variant. In parallel, by exploiting ex vivo functional and molecular analyses on nasal epithelia derived from a subset of S737F carriers, we evaluated its functional impact on CFTR protein as well as its responsiveness to CFTR modulators. We retrospectively collected clinical data of all individuals bearing at least one S737F CFTR variant and followed at the CF Centre of Tuscany region (Italy). Nasal brushing was performed in cooperating individuals. At study end clinical data were available for 10 subjects (mean age: 14 years; range 1–44 years; 3 adult individuals). Five asymptomatic subjects had CF, 2 were CRMS/CFSPID and 3 had an inconclusive diagnosis. Ex vivo analysis on nasal epithelia demonstrated different levels of CF activity. In particular, epithelia derived from asymptomatic CF subjects and from one of the subjects with inconclusive diagnosis showed reduced CFTR activity that could be rescued by treatment with CFTR modulators. On the contrary, in the epithelia derived from the other two individuals with an inconclusive diagnosis, the CFTR-mediated current was similar to that observed in epithelia derived from healthy donors. In vitro functional and biochemical analysis on S737F-CFTR expressed in immortalized bronchial cells highlighted a modest impairment of the channel activity, that was improved by treatment with ivacaftor alone or in combination with tezacaftor/elexacaftor. Our study provide evidence towards the evaluation of CFTR function on ex vivo nasal epithelial cell models as a new assay to help clinicians to classify individuals, in presence of discordance between clinical picture, sweat test and genetic profile