Noisy quantum phase shift keying with realistic detection schemes

Abstract

This thesis is dedicated to investigate the interplay between noisy quantum communications and noiseless probabilistic amplification in quantum optical systems. Chapter 1 establishes the quantization of the electromagnetic field and its usual states —vacuum, Fock, coherent, and squeezed— providing the essential framework for quantum optics. Chapter 2 explores the ideal performance of non-deterministic amplifiers, demonstrating their ability to enhance quantum signals without introducing noise. Chapter 3 applies these principles to analyze noisy quantum channels, showing how non-deterministic linear amplifiers can mitigate phase noise to improve communication fidelity. Together, these chapters offer valuable insights into optimizing quantum communication protocols, contributing to the development of secure quantum networks and advanced quantum information processing technologies. Ce mémoire fait progresser le domaine de la communication quantique en explorant systéma tiquement les fondements théoriques et les défis pratiques des systèmes optiques quantiques. Le premier chapitre établit la quantification du champ électromagnétique et décrit ses états usuels — vide, Fock, cohérents et comprimés — fournissant ainsi le cadre essentiel de l’optique quantique. Le deuxième chapitre examine les performances idéales des amplificateurs non déterministes, démontrant leur capacité à amplifier les signaux quantiques sans introduire de bruit. Le troisième chapitre applique ces principes à l’analyse des canaux quantiques bruités, montrant comment les amplificateurs linéaires non déterministes peuvent atténuer le bruit de phase pour améliorer la f idélité des communications. Ensemble, ces chapitres offrent des perspectives précieuses pour optimiser les protocoles de communication quantique, contribuant ainsi au développement de réseaux quantiques sécurisés et de technologies avancées de traitement de l’information quantique. Cette thèse est consacrée à l’étude de l’interaction entre les communications quantiques en présence de bruit et l’amplification probabiliste sans bruit dans les systèmes optiques quantiques. Le chapitre 1 établit la quantification du champ électromagnétique et ses états habituels-vide quantique, états de Fock, états cohérents, et états comprimés- fournissant un cadre adéquat pour l’optique quantique. Le chapitre 2 explore les performances des amplificateurs non déterministes, démontrant leur capacité à améliorer les signaux quantiques sans introduire de bruit. Le chapitre 3 applique ces principes à l’analyse des canaux quantiques bruyants, en montrant comment les amplificateurs linéaires non déterministes peuvent atténuer le bruit de phase pour améliorer la fidélité de la communication. Ensemble, ces chapitres offrent de précieuses indications sur l’optimisation des protocoles de communication quantique, contribuant ainsi au développement de réseaux quantiques sécurisés et de technologies avancées de traitement de l’information quantique.