Entanglement distribution in quantum complex networks Martí Cuquet Grup de Física Teòrica: Informació i fenòmens quàntics Departament de Física Facultat de Ciències Tesi del programa de Doctorat en Física de la Universitat Autònoma de Barcelona escrita sota la direcció del Prof. John Calsamiglia Costa Bellaterra, setembre de 2012 Copyleft © 2012 Martí Cuquet Palau <[email protected]> This work is licensed under the terms of the Creative Commons Attribution- Noncommercial-Share Alike 3.0 Unported Licence. You are free to copy, com- municate and adapt this work, as long as your use is not for commercial pur- poses, any derivative works are licensed under this license (or similar license to this one) and you attribute Martí Cuquet. The full license can be found at http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/. Source of epigraphs (p. iii): Joan Fuster, Diari 1952–1960, p. 429; Pere Calders, Ronda naval sota la boira. This thesis was written with vim and typeset by LATEX, using typefaces TeX Gyre Pagella and Latin Modern Sans. La teoria dels homes se superposa a la realitat com una xarxa: no arriba a més. Per fortuna, la seva ‘pesca’ acostuma a ser fructuosa. Joan Fuster Sense cap particular al qual referir-se des d’aquí, l’autor saluda afectuosament el(s) seu(s) lector(s). Pere Calders Agraïments Recollir en poques paraules els agraïments a una llista concreta de persones no és pas la part més senzilla d’escriure una tesi. El primer lloc és per a en John Calsamiglia, que m’ha guiat en la meva entrada al món de la investigació i m’ha sabut contagiar la seva curiositat i entusiasme. Però més enllà de les seves explicacions, ajut i suport pràctic, sense els quals aquesta tesi no hauria estat possible, vull agrair també la seva proximitat i manera de ser que l’han convertit en un amic més. Aquest agraïment s’estén també a tots els companys del Grup d’Informació Quàntica, Física Teòrica i l’IFAE. Als companys del primer despatx, en Toni Picón i en David Diego, per ajudar-me a entrar al dia a dia de la recerca i regalar-me moments genials i alguna bona caminada pels Pirineus, i als qui han estat els companys de despatx des d’aleshores, en Marc Montull, en Marc Ramon i la Julia Stasińska. També a la resta de companys del grup, Mariona, Gael, Bernat, Elio, Gabriele, Simone, Luca, i en especial en Julio per l’amistat, els bons consells i l’ajut en començar el que serà la meva nova etapa. Tampoc poden faltar l’Albert, l’Anna, l’Emili, en Marià i en Ramon, que fan que aquest grup gaudeixi d’un ambient tan agradable, ni la resta de gent que volta per Física Teòrica i l’IFAE, sobretot en Lluís, en Jordi, en Volker i tots els altres que han compartit dinar i conversa dia sí i dia també. Un doctorat no s’acaba dins les quatre parets de la universitat. Durant tot aquest temps molta gent de fora m’ha fet costat. D’entre tots ells, vull mencionar aquells que han incidit d’alguna manera en aquesta tesi: l’Albert i el Cuervo, amics de sempre i companys de pis primer i de ciutat després, que a més em van fer un cop de mà amb els meus primers dubtes de programació —l’avantatge de viure amb dos informàtics—; la Judit, gràcies per la portada, i la Sophie, per resoldre els meus dubtes lingüístics; en Jordi i en Tadeo, que sempre s’han interessat pel meu vi Agraïments treball —molta sort amb la vostra recerca! També en Toni, en Milhouse, que ens ha deixat a tots amb un buit enorme. Un doctorat és també un treball sovint aïllat i individualista. Per això he d’agrair no només la feina, l’esforç i la lluita de tota la gent de l’Assemblea de Tercer Cicle de la UAB, que representa una dedicació molt gran i potser poc reconeguda, sinó també la companyia, suport i aprenentatge constant que significa formar-ne part. Finalment, és impossible agrair prou a tota la meva família, avis, pare, mare i germà, el suport i afecte que em donen cada dia, a més de l’interès sincer i entusiasme que mostren per la meva feina, encara que sovint sigui difícil d’explicar. Aquest agraïment és també per a la família de València. I a la Diana, per fer que tot passés amb un somriure a la cara. Poble Sec, Barcelona Setembre de 2012 Contents Agraïmentsv 1 Introduction1 2 Complex networks7 2.1 Networks as graphs .......................... 8 2.1.1 Vertices and edges ...................... 9 2.1.2 Degree............................. 10 2.1.3 Clustering........................... 12 2.1.4 Paths and cycles ....................... 13 2.1.5 Components.......................... 14 2.1.6 Coloring............................ 15 2.2 Network models ............................ 16 2.2.1 Random graphs........................ 17 2.2.2 The configuration model................... 21 2.2.3 Small worlds.......................... 23 2.2.4 A real-world example: the OpenPGP Web of Trust . 25 2.3 Percolation on complex networks................... 27 2.3.1 Components in uncorrelated networks ........... 29 2.3.2 Generating functions..................... 33 2.3.3 Percolation and component sizes .............. 35 2.3.4 Mean component size, percolation threshold and the giant component........................... 36 2.4 Simulation of networks ........................ 38 2.4.1 Graph data structures .................... 38 2.4.2 Random numbers....................... 40 viii Contents 2.4.3 Generation of graphs..................... 41 2.4.4 Algorithms on graphs..................... 43 2.4.5 Implementation of bipartite edges and the q-swap . 45 3 Distribution of bipartite entanglement 47 3.1 Entanglement in pure states ..................... 51 3.1.1 Entangled states ....................... 51 3.1.2 Deterministic and probabilistic transformation of entangle- ment.............................. 52 3.1.3 Entanglement swapping ................... 54 3.2 Entanglement percolation in pure-state networks.......... 55 3.2.1 Critical entanglement and long-distance entanglement prob- ability ............................. 55 3.2.2 Network model ........................ 57 3.2.3 Network transformation with local knowledge . 58 3.2.4 Generating functions of the modified network . 60 3.2.5 Strategies to implement q-swaps............... 64 3.2.6 Network examples....................... 68 3.2.7 Explosive percolation: advance and delay of the transition 74 3.3 Entanglement in mixed states .................... 76 3.3.1 States from amplitude-damping channels.......... 76 3.3.2 General states......................... 78 3.4 Limited-path-length percolation in mixed-state networks . 79 3.4.1 Network model, minimum fidelity and maximum path length 81 3.4.2 Path length distribution and limited components . 82 3.4.3 Generating functions of the limited components . 83 4 Distribution of multipartite entanglement 87 4.1 Graph states.............................. 90 4.1.1 Graph states in the interaction picture........... 90 4.1.2 Graph states in the stabilizer formalism .......... 91 4.1.3 Mixed graph states...................... 92 4.1.4 Operations and measurements on graph states . 93 4.2 Network and noise model....................... 94 4.3 Multipartite purification protocol .................. 95 4.4 Protocols................................ 98 4.4.1 Bipartite A protocol ..................... 99 4.4.2 Bipartite B protocol ..................... 101 4.4.3 Purify subgraph and merge . 102 4.5 Fidelity................................. 104 4.6 Distribution of a closed linear cluster . 106 Contents ix 4.6.1 Exact solution via generating functions of the domains . 107 4.6.2 Comparison with the mean-field approximation . 114 4.7 Distribution of graph states in complex networks . 117 5 Conclusions 121 Bibliography 127 List of Figures 2.1 The seven bridges of Königsberg................... 8 2.2 A graph example............................ 9 2.3 Examples of regular graphs...................... 10 2.4 Bethe lattices and Cayley tree .................... 11 2.5 Degree and clustering in a graph................... 12 2.6 Shortest path and average path length................ 13 2.7 Some graph examples......................... 14 2.8 Graph coloring............................. 15 2.9 The 8 graphs of the Gilbert model N = 3 ensemble . 17 2.10 Comparison between a Poisson and a scale-free degree distributions 22 2.11 Base lattice for the Watts-Strogatz model.............. 24 2.12 Watts-Strogatz model......................... 24 2.13 OpenPGP Web of Trust........................ 25 2.14 Degree sequence and clustering of the Web of Trust . 26 2.15 Examples of degree probabilities................... 29 2.16 Graphical solution of Eq. 2.32 of the Erdős-Rényi network . 32 2.18 Adjacency matrix and adjacency list................. 39 2.19 Implementation of the configuration model............. 42 3.1 Entanglement swapping........................ 55 3.2 Model of a quantum network of bipartite pure states . 58 3.3 q-swap transformation......................... 59 3.4 Degree sequence before and after 2, 3-swap in an Erdős-Rényi and a scale free network .......................... 60 3.5 Example of the branching process before and after a 3-swap . 62 3.6 Schematic representation of hR(z) and C2(z) . 63 3.7 Implementation of 2-swap in a cluster of nodes with degree 2 . 64 xii List of Figures 3.8 Probability η2 of performing a 2-swap................ 65 3.9 Clusters of nodes with the same degree ............... 66 3.10 Critical entanglement of the Bethe lattice.............. 69 3.11 Entanglement percolation in the Erdős-Rényi model . 71 3.12 Entanglement percolation in a scale-free network.......... 72 3.13 Entanglement percolation in the Watts-Strogatz model . 73 3.14 Critical entanglement in the Watts-Strogatz model and entangle- ment percolation in the World Wide Web.............. 74 3.15 Explosive percolation ......................... 75 3.16 Clusters of limited path length in the Web of Trust and the hon- eycomb lattice............................. 80 3.17 Scaling of hsli and nˆ(l) in the Erdős-Rényi network .