Study and Simulation of a Bidirectional Cyclic Quantum Teleportation Protocol via a Noisy Channel

Abstract

This master’s thesis investigates the implementation and performance of a Bidirectional Cyclic Quantum Teleportation (BCQT) protocol within an 11-qubit quantum system. Unlike standard unidirectional protocols, this cyclic approach enables multiple parties (Alice, Bob, and Charlie) to exchange unknown quantum states simultaneously using a pre-shared entangled resource. A primary focus of this work is evaluating the protocol’s robustness under realistic conditions, specifically through a noisy channel modeled as a Werner state. The theoretical framework employs density operator formalism to track the evolution of the global system state during Bell-state measurements and controllerdependent operations. Furthermore, we provide a symbolic simulation using Wolfram Mathematica to verify the operational validity of the protocol. Our results analyze how the entanglement parameter (λ) and environmental noise affect the quality of quantum information transfer. This study contributes to the field of quantum communication networks by demonstrating the scalability of cyclic protocols and the limitations imposed by decoherence in multi-party quantum information processing.

Ce m´emoire de master ´etudie la mise en œuvre et les performances d’un protocole de T´el´eportation Quantique Cyclique Bidirectionnelle (BCQT) au sein d’un syst`eme `a 11 qubits. Contrairement aux protocoles unidirectionnels standards, cette approche cyclique permet `a plusieurs parties (Alice, Bob et Charlie) d’´echanger simultan´ement des ´etats quantiques inconnus en utilisant une ressource intriqu´ee pr´ealablement partag´ee. L’objectif principal de ce travail est d’´evaluer la robustesse du protocole dans des conditions r´ealistes, notamment `a travers un canal bruit´e mod´elis´e par un ´etat de Werner. Le cadre th´eorique utilise le formalisme de l’op´erateur densit´e pour suivre l’´evolution de l’´etat global du syst`eme lors des mesures de l’´etat de Bell et des op´erations d´ependantes du contrˆoleur. De plus, nous proposons une simulation symbolique utilisant Wolfram Mathematica afin de v´erifier la validit´e op´erationnelle du protocole. Nos r´esultats analysent comment le param`etre d’intrication (λ) et le bruit environnemental affectent la qualit´e du transfert d’information quantique. Cette ´etude contribue au domaine des r´eseaux de communication quantique en d´emontrant la faisabilit´e des protocoles cycliques et les limitations impos´ees par la d´ecoh´erence dans le traitement de l’information quantique multiparties.