Entanglement distribution in quantum complex networks

Abstract

Aquesta tesi tracta l’estudi de xarxes quàntiques amb una estructura complexa, les implicacions que aquesta estructura té en la distribució d’entrellaçament i com el seu funcionament pot ser millorat mitjançant operacions en el règim quàntic. Primer considerem xarxes complexes d’estats bipartits, tant purs com mescla, i estudiem la distribució d’entrellaçament a llargues distàncies. Després passem a analitzar xarxes de canals sorollosos i estudiem la creació i distribució de grans estats multipartits. El treball contingut en aquesta tesi està motivat principalment per la idea que la interacció entre la informació quàntica i les xarxes complexes pot donar lloc a una nova comprensió i caracterització dels sistemes naturals. Les xarxes complexes tenen una importància particular en les infraestructures de comunicació, ja que la majoria de xarxes de telecomunicació tenen una estructura complexa. En el cas de xarxes quàntiques, que són el marc necessari per al processament distribuït d’informació i comunicació quàntica, és ben possible que en el futur adquireixin una topologia complexa semblant a la de les xarxes existents, o que fins i tot es desenvolupin mètodes per a utilitzar les infraestructures actuals en el règim quàntic. Una tasca central en les xarxes quàntiques és dissenyar estratègies per distribuir entrellaçament entre els seus nodes. En la primera part d’aquesta tesi, considerem la distribució d’entrellaçament bipartit com un procés de percolació d’entrellaçament en una xarxa complexa. Des d’aquest enfocament, s’estableix entrellaçament perfecte de manera probabilística entre dos nodes arbitraris. Veiem que, per a xarxes grans, la probabilitat d’aconseguir-ho és una constant estrictament major que zero (i independent de la mida de la xarxa) si la quantitat inicial d’entrellaçament està per sobre d’un cert valor crític. La mecànica quàntica ofereix aquí la possibilitat de canviar l’estructura de la xarxa sense necessitat d’establir nous canals “físics”. Mitjançant una transformació local adequada de la xarxa, es pot disminuir l’entrellaçament crític i augmentar la probabilitat. Apliquem aquesta transformació a models de xarxes complexes amb una distribució de graus arbitrària. En el cas de xarxes sorolloses d’estats mescla, veiem que per algunes classes d’estat es pot utilitzar el mateix enfocament de percolació d’entrellaçament. Per a estats mescla generals considerem una percolació de llargada de camí limitada per la quantitat de soroll de les connexions. Veiem com les xarxes complexes ofereixen encara un gran avantatge en la probabilitat de connectar dos nodes. En la segona part, passem a l’escenari multipartit. Estudiem la creació i distribució d’estats graf amb una estructura que imita la de la xarxa de comuicació subjacent. En aquest cas, utilitzem una xarxa complexa arbitrària amb canals sorollosos, i considerem que les operacions i mesures són també sorolloses. Proposem un mètode eficient per a distribuir i purificar petits subgrafs, que després es fusionen per a reproduir l’estat desitjat. Comparem aquest enfocament amb dos protocols bipartits basats en un node central i coneixement complet de l’estructura de la xarxa. Mostrem que la fidelitat dels estats graf generats es pot escriure com la funció de partició d’un sistema desordenat de spins clàssics (un vidre de spins), i la seva taxa de decaïment és l’anàleg de l’energia lliure. Utilitzant els tres protocols en una xarxa unidimensional i en xarxes complexes veiem que són tots comparables, i que en alguns casos el protocol de subgrafs proposat, que necessita només informació local de la xarxa, té inclús un comportament millor.

This thesis deals with the study of quantum networks with a complex structure, the implications this structure has in the distribution of entanglement and how their functioning can be enhanced by operating in the quantum regime. We first consider a complex network of bipartite states, both pure and mixed, and study the distribution of long-distance entanglement. Then, we move to a network with noisy channels and study the creation and distribution of large, multipartite states. The work contained in this thesis is primarily motivated by the idea that the interplay between quantum information and complex networks may give rise to a new understanding and characterization of natural systems. Complex networks are of particular importance in communication infrastructures, as most present telecommunication networks have a complex structure. In the case of quantum networks, which are the necessary framework for distributed quantum processing and for quantum communication, it is very plausible that in the future they acquire a complex topology resembling that of existing networks, or even that methods will be developed to use current infrastructures in the quantum regime. A central task in quantum networks is to devise strategies to distribute entanglement among its nodes. In the first part of this thesis, we consider the distribution of bipartite entanglement as an entanglement percolation process in a complex network. Within this approach, perfect entanglement is established probabilistically between two arbitrary nodes. We see that for large networks, the probability of doing so is a constant strictly greater than zero (and independent of the size of the network) if the initial amount of entanglement is above a certain critical value. Quantum mechanics offer here the possibility to change the structure of the network without need to establish new, "physical" channels. By a proper local transformation of the network, the critical entanglement can be decreased and the probability increased. We apply this transformation to complex network models with arbitrary degree distribution. In the case of a noisy network of mixed states, we see that for some classes of states, the same approach of entanglement percolation can be used. For general mixed states, we consider a limited-path-length entanglement percolation constrained by the amount of noise in the connections. We see how complex networks still offer a great advantage in the probability of connecting two nodes. In the second part, we move to the multipartite scenario. We study the creation and distribution of graph states with a structure that mimic the underlying communication network. In this case, we use an arbitrary complex network of noisy channels, and consider that operations and measurements are also noisy. We propose an efficient scheme to distribute and purify small subgraphs, which are then merged to reproduce the desired state. We compare this approach with two bipartite protocols that rely on a central station and full knowledge of the network structure. We show that the fidelity of the generated graphs can be written as the partition function of a classical disordered spin system (a spin glass), and its decay rate is the analog of the free energy. Applying the three protocols to a one-dimensional network and to complex networks, we see that they are all comparable, and in some cases the proposed subgraph protocol, which needs only local information of the network, performs even better.