Le développement de la Théorie du Calcul Quantique provient de l'idée qu'un ordinateur est avant tout un système physique, de sorte que ce sont les lois de la Nature elles-mêmes qui constituent une limite ultime sur ce qui peut être calculé ou non. L'intérêt pour cette discipline fut stimulé par la découverte par Peter Shor d'un algorithme quantique rapide pour factoriser un nombre, alors qu'actuellement un tel algorithme n'est pas connu en Théorie du Calcul Classique. Un autre résultat important fut la construction par Lov Grover d'un algorithme capable de retrouver un élément dans une base de donnée non-structurée avec un gain de complexité quadratique par rapport à tout algorithme classique. Alors que ces algorithmes quantiques sont exprimés dans le modèle ``standard' du Calcul Quantique, où le registre évolue de manière discrète dans le temps sous l'application successive de portes quantiques, un nouveau type d'algorithme a été récemment introduit, où le registre évolue continûment dans le temps sous l'action d'un Hamiltonien. Ainsi, l'idée à la base du Calcul Quantique Adiabatique, proposée par Edward Farhi et ses collaborateurs, est d'utiliser un outil traditionnel de la Mécanique Quantique, à savoir le Théorème Adiabatique, pour concevoir des algorithmes quantiques où le registre évolue sous l'influence d'un Hamiltonien variant très lentement, assurant une évolution adiabatique du système. Dans cette thèse, nous montrons tout d'abord comment reproduire le gain quadratique de l'algorithme de Grover au moyen d'un algorithme quantique adiabatique. Ensuite, nous montrons qu'il est possible de traduire ce nouvel algorithme adiabatique, ainsi qu'un autre algorithme de recherche à évolution Hamiltonienne, dans le formalisme des circuits quantiques, de sorte que l'on obtient ainsi trois algorithmes quantiques de recherche très proches dans leur principe. Par la suite, nous utilisons ces résultats pour construire un algorithme adiabatique pour résoudre des problèmes avec structure, utilisant une technique, dite de ``nesting', développée auparavant dans le cadre d'algorithmes quantiques de type circuit. Enfin, nous analysons la résistance au bruit de ces algorithmes adiabatiques, en introduisant un modèle de bruit utilisant la théorie des matrices aléatoires et en étudiant son effet par la théorie des perturbations.

La mécanique quantique prédit l'existence de corrélations entre particules distantes qui ne peuvent s'expliquer dans le cadre des théories réalistes locales. Suite au développement récent de la théorie de l'information quantique, il a été réalisé que ces corrélations non-locales ont des implications quant aux capacités de traitement de l'information des systèmes quantiques. Outre une signification physique, elles possèdent donc une signification informationnelle. Cette thèse traite de différents aspects de la non-localité liés à ces deux facettes du phénomène. Nous commençons par un examen de la structure des corrélations locales et non-locales. Nous dérivons dans ce contexte de nouvelles inégalités de Bell, et généralisons ensuite le paradoxe de Greenberger-Horne-Zelinger à des états quantiques de dimension arbitraire et composés de plusieurs sous-systèmes. Nous abordons par après la non-localité du point de vue de la théorie de l'information. Il est possible de concevoir des théories non-locales consistantes avec le principe de causalité mais offrant des avantages supérieurs à la mécanique quantique en terme de manipulation de l'information. Nous investiguons l'ensemble des corrélations compatibles avec de telles théories afin d'éclairer l'origine des limitations imposées par le formalisme quantique. Nous nous intéressons également à la quantité de communication classique nécessaire pour simuler les corrélations non-locales. Nous montrons que cette mesure naturelle de la non-localité est étroitement liée au degré de violations des inégalités de Bell. Nous nous tournons ensuite vers des aspects expérimentaux. La faible efficacité des détecteurs utilisés dans les expériences de violation des inégalités de Bell reste un obstacle majeur à une démonstration convaincante de la non-localité, mais aussi à toute utilisation de la non-localité dans des protocoles d'information quantique. Nous dérivons d'une part des bornes quant à l'efficacité minimale requise pour violer les inégalités de Bell, et d'autre part des exemples de corrélations plus résistante à ces imperfections expérimentales. Finalement, nous clôturons cette thèse en montrant comment la non-localité, principalement étudiée dans le cadre de systèmes décrits par des variables discrètes, telles que les variables de spin, peut également se manifester dans des systèmes à variables continues, telles que les variables de position et d'impulsion.

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Control and coupling of individual quantum systems remains an important research area in experimental quantum information. Single quantum systems in the solid state offer many attractive properties in terms of isolation and control: strong interaction due to close proximity, and scalability using mature fabrication techniques. Similar to atoms, many solid state quantum systems can couple to photons, offering potential for long-range interaction. Two such candidate systems are the nitrogen vacancy center in diamond, and the nanowire semiconductor quantum dot. These systems can act like isolated atoms in a solid state system, and can serve as sources of indistinguishable photons. This report discusses low temperature excitation of these systems, a regime in which the spectral properties are desirable for applications in quantum information, such as long-distance entanglement.

Control and coupling of individual quantum systems remains an important research area in experimental quantum information. Single quantum systems in the solid state offer many attractive properties in terms of isolation and control: strong interaction due to close proximity, and scalability using mature fabrication techniques. Similar to atoms, many solid state quantum systems can couple to photons, offering potential for long-range interaction. Two such candidate systems are the nitrogen vacancy center in diamond, and the nanowire semiconductor quantum dot. These systems can act like isolated atoms in a solid state system, and can serve as sources of indistinguishable photons. This report discusses low temperature excitation of these systems, a regime in which the spectral properties are desirable for applications in quantum information, such as long-distance entanglement.

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Cryptography plays an integral role in secure communication and is usually the strongest link in the chain of security. Yet security problems abound in electronic communication: spyware, phishing, denial of service, and side-channel attacks are still major concerns. The main goal in this thesis is to consider how cryptographic techniques can be extended to offer greater defence against these non-traditional security threats. In the first part of this thesis, we consider problems in classical cryptography. We introduce multi-factor password-authenticated key exchange which allows secure authentication and key agreement based on multiple short secrets, such as a long-term password and a one-time response; it can provide an enhanced level of assurance in higher security scenarios because a multi-factor protocol is designed to remain secure even if all but one of the factors has been compromised due to attacks such as phishing or spyware. Next, we consider the integration of denial of service countermeasures with key exchange protocols: by introducing a formal model for denial of service resilience that complements the extended Canetti-Krawczyk model for secure key agreement, we cover a wide range of existing denial of service attacks and prevent them by carefully using client puzzles. Additionally, we look at how side-channel attacks affect certain types of formulae used in elliptic curve cryptography, and demonstrate that information leaked during field operations such as addition, subtraction, and multiplication can be exploited by an attacker. In the second part of this thesis, we examine cryptography in the quantum setting. We argue that quantum key distribution will have an important role to play in future information security infrastructures and will operate best when integrated with the powerful public key infrastructures that are used today. Finally, we present a new look at quantum money and describe a quantum coin scheme where the coins are not easily counterfeited, are locally verifiable, and can be transferred to another party.