Quantum information science is a rapidly evolving field both from the theoretical and the experimental viewpoint, motivated by the fact that protocols exploiting quantum resources can perform tasks that are unfeasible in classical information theory. Interestingly, the trustworthiness of quantum information protocols can be certified relying upon as few assumptions as possible adopting the "device-independent" (DI) framework. In this scenario no assumption is made on the internal working of the involved devices, which are treated as black boxes. The quantum certification of DI protocols is guaranteed by the nonlocal character of the correlations between the inputs and outputs of those boxes. Unfortunately, demonstrating nonlocality is highly demanding from the implementation point of view, since low levels of experimental imperfections are tolerated. Those imperfections (e.g.noise and losses) may alter the input/output statistics, thus undermining the reliability of DI protocols. The experimental requirements for the security of DI protocols can be relaxed considering partly-DI scenarios, in which additional assumptions on the devices or the systems used in the protocols are made. Indeed, partly-DI protocols offer two main advantages: First, they are more secure than standard device-dependent protocols; second, they are more robust to experimental imperfections than their fully-DI counterparts. The general aim of this Thesis is to provide bounds on imperfections and losses arising in experimental implementations of DI and partly-DI protocols that are necessary or sufficient for security. In the first part, we tackle the problem of secure implementation of quantum key distribution protocols in the DI and partly-DI scenarios. The goal is to establish conditions on the detection efficiency necessary for the security of those protocols. To this aim, we present a general attack on the detectors from which we derive bounds on the critical detection efficiency that do not depend on the number of measurements applied nor on the number of outcomes. In the second part, we study randomness certification in the steering and the prepare-and-measure scenarios. We devise an optimal method for quantifying the local and global randomness that can be extracted in both scenarios. Applying this method we provide sufficient conditions for randomness certification in the presence of noise and losses. Moreover, we present a method that for any fixed state gives the optimal measurements and steering inequality that certify the most randomness. The next question we address is the secure implementation of semi-device-independent (SDI) protocols, whose quantum certification is provided by dimension witnesses. We study the problem of the robustness of DI dimension witnesses to loss, in the case in which shared randomness is allowed between the preparing and measuring devices. The main result in this part is to provide thresholds for the critical detection efficiency necessary to perform reliable dimension witnessing. Furthermore, we study detection loophole attacks on SDI quantum and classical protocols in the case in which the preparing and measuring devices do not share correlations. We determine general conditions under which a potential eavesdropper cannot exploit the experimental losses to hack such protocols. Finally, we focus on a recently demonstrated quantum process and its inverse, namely the quantum state joining and splitting processes. We prove that a linear-optical realization of the quantum state joining of two photons relying only on postselection - and thus simpler than the implementation originally proposed - is not possible, implying that it requires at least one ancilla photon. Furthermore, we demonstrate that the quantum joining process is equivalent to the preparation of a particular class of three-qubit entangled states, showing that this process can also find application for generating complex cluster states of entangled photons. En las últimas décadas, el campo de estudio de la información cuántica está tomando especial relevancia tanto desde el punto de vista teórico como experimental, debido a que los protocolos basados en la física cuántica pueden desempeñar acciones que son prohibidas en los protocolos basados en la física clásica. Especialmente, se ha demostrado que se puede garantizar la fiabilidad de protocolos cuánticos basandose en las mínimas suposiciones posibles, adoptando el escenario denominado 'device-independent' (DI). En este caso, no se hace ninguna suposición sobre el funcionamento de los sistemas e instrumentación usada, siendo tratados como cajas negras. La certificación cuántica de los protocolos DI está basada en la nonlocalidad de las correlaciones entre inputs y outputs de estas cajas. Desafortunadamente, demostrar experimentalmente esta nonlocalidad es un reto actual muy exigente debido a que se requiere un nivel muy bajo de imperfecciones (por ej. ruido y pérdidas). Este requisito se puede relajar considerando escenarios parcialmente DI, en los que se hacen suposiciones adicionales sobre los dispositivos usados. Por un lado, estos protocolos son generalmente menos exigentes desde el punto de vista de la implementación; por otro lado, son más seguros que los 'device-dependent'. El objetivo general de esta Tesis es establecer bajo qué condiciones las imperfecciones experimentales no comprometen la seguridad de protocolos DI y parcialmente DI. Para desarrollar este objetivo, esta Tesis se divide en diferentes apartados. En la primera parte, se consideran protocolos de quantum key distribution en escenarios DI y parcialmente DI, presentando un ataque general a los detectores. De este estudio se derivan los límites para la eficiencia de detección crítica necesaria para una implementación segura de estos protocolos, obteniéndose que no dependen ni del número de medidas aplicadas ni del número de outcomes. En la segunda parte, se estudia la certificación de aleatoriedad en los escenarios de steering y prepare-and-measure. Se introduce un método óptimo para cuantificar la aleatoriedad local y global que se pueden extraer en ambos escenarios y se derivan las condiciones suficientes para certificar la aleatoriedad en presencia de ruido y pérdidas. Además, se presenta un método que obtiene para cada estado las medidas y la desigualdad de steering óptimas que certifican la máxima aleatoriedad. En la tercera parte, se considera la implementación de protocolos semi-device-independent (SDI), cuya certificación cuántica es provista por las dimension witnesses. Se estudia el problema de la robustez a las pérdidas de las dimension witnesses en el escenario DI (DIDWs) cuando el instrumento de preparación y el de medida comparten correlaciones preestablecidas. En ese contexto se determinan los umbrales para la eficiencia de detección crítica necesaria para la fiabilidad de DIDWs. Además, se estudian ataques a detectores en protocolos SDI cuánticos y clásicos, en el caso en que los aparatos de preparación y de medida no estén correlacionados, y se analizan las condiciones para que un espía potencial no pueda hackear estos protocolos usando las pérdidas experimentales. Por último, se estudian los procesos cuánticos demostrados recientemente de quantum state joining/splitting. Se prueba que una realización con óptica lineal del quantum state joining de dos fotones usando solo postselección (por tanto más simple de la demonstrada originalmente) no es posible, sino que este tipo de implementación requiere al menos un fotón auxiliar. Además, se demuestra que el quantum state joining es equivalente a preparar una clase particular de estados entrelazados de 3 qubits, mostrándose una posible aplicación del quantum joining de estados fotónicos para generar estados cluster complejos de fotones entrelazados
Quantum information science is a rapidly evolving field both from the theoretical and the experimental viewpoint, motivated by the fact that protocols exploiting quantum resources can perform tasks that are unfeasible in classical information theory. Interestingly, the trustworthiness of quantum information protocols can be certified relying upon as few assumptions as possible adopting the "device-independent" (DI) framework. In this scenario no assumption is made on the internal working of the involved devices, which are treated as black boxes. The quantum certification of DI protocols is guaranteed by the nonlocal character of the correlations between the inputs and outputs of those boxes. Unfortunately, demonstrating nonlocality is highly demanding from the implementation point of view, since low levels of experimental imperfections are tolerated. Those imperfections (e.g.noise and losses) may alter the input/output statistics, thus undermining the reliability of DI protocols. The experimental requirements for the security of DI protocols can be relaxed considering partly-DI scenarios, in which additional assumptions on the devices or the systems used in the protocols are made. Indeed, partly-DI protocols offer two main advantages: First, they are more secure than standard device-dependent protocols; second, they are more robust to experimental imperfections than their fully-DI counterparts. The general aim of this Thesis is to provide bounds on imperfections and losses arising in experimental implementations of DI and partly-DI protocols that are necessary or sufficient for security. In the first part, we tackle the problem of secure implementation of quantum key distribution protocols in the DI and partly-DI scenarios. The goal is to establish conditions on the detection efficiency necessary for the security of those protocols. To this aim, we present a general attack on the detectors from which we derive bounds on the critical detection efficiency that do not depend on the number of measurements applied nor on the number of outcomes. In the second part, we study randomness certification in the steering and the prepare-and-measure scenarios. We devise an optimal method for quantifying the local and global randomness that can be extracted in both scenarios. Applying this method we provide sufficient conditions for randomness certification in the presence of noise and losses. Moreover, we present a method that for any fixed state gives the optimal measurements and steering inequality that certify the most randomness. The next question we address is the secure implementation of semi-device-independent (SDI) protocols, whose quantum certification is provided by dimension witnesses. We study the problem of the robustness of DI dimension witnesses to loss, in the case in which shared randomness is allowed between the preparing and measuring devices. The main result in this part is to provide thresholds for the critical detection efficiency necessary to perform reliable dimension witnessing. Furthermore, we study detection loophole attacks on SDI quantum and classical protocols in the case in which the preparing and measuring devices do not share correlations. We determine general conditions under which a potential eavesdropper cannot exploit the experimental losses to hack such protocols. Finally, we focus on a recently demonstrated quantum process and its inverse, namely the quantum state joining and splitting processes. We prove that a linear-optical realization of the quantum state joining of two photons relying only on postselection - and thus simpler than the implementation originally proposed - is not possible, implying that it requires at least one ancilla photon. Furthermore, we demonstrate that the quantum joining process is equivalent to the preparation of a particular class of three-qubit entangled states, showing that this process can also find application for generating complex cluster states of entangled photons. En las últimas décadas, el campo de estudio de la información cuántica está tomando especial relevancia tanto desde el punto de vista teórico como experimental, debido a que los protocolos basados en la física cuántica pueden desempeñar acciones que son prohibidas en los protocolos basados en la física clásica. Especialmente, se ha demostrado que se puede garantizar la fiabilidad de protocolos cuánticos basandose en las mínimas suposiciones posibles, adoptando el escenario denominado 'device-independent' (DI). En este caso, no se hace ninguna suposición sobre el funcionamento de los sistemas e instrumentación usada, siendo tratados como cajas negras. La certificación cuántica de los protocolos DI está basada en la nonlocalidad de las correlaciones entre inputs y outputs de estas cajas. Desafortunadamente, demostrar experimentalmente esta nonlocalidad es un reto actual muy exigente debido a que se requiere un nivel muy bajo de imperfecciones (por ej. ruido y pérdidas). Este requisito se puede relajar considerando escenarios parcialmente DI, en los que se hacen suposiciones adicionales sobre los dispositivos usados. Por un lado, estos protocolos son generalmente menos exigentes desde el punto de vista de la implementación; por otro lado, son más seguros que los 'device-dependent'. El objetivo general de esta Tesis es establecer bajo qué condiciones las imperfecciones experimentales no comprometen la seguridad de protocolos DI y parcialmente DI. Para desarrollar este objetivo, esta Tesis se divide en diferentes apartados. En la primera parte, se consideran protocolos de quantum key distribution en escenarios DI y parcialmente DI, presentando un ataque general a los detectores. De este estudio se derivan los límites para la eficiencia de detección crítica necesaria para una implementación segura de estos protocolos, obteniéndose que no dependen ni del número de medidas aplicadas ni del número de outcomes. En la segunda parte, se estudia la certificación de aleatoriedad en los escenarios de steering y prepare-and-measure. Se introduce un método óptimo para cuantificar la aleatoriedad local y global que se pueden extraer en ambos escenarios y se derivan las condiciones suficientes para certificar la aleatoriedad en presencia de ruido y pérdidas. Además, se presenta un método que obtiene para cada estado las medidas y la desigualdad de steering óptimas que certifican la máxima aleatoriedad. En la tercera parte, se considera la implementación de protocolos semi-device-independent (SDI), cuya certificación cuántica es provista por las dimension witnesses. Se estudia el problema de la robustez a las pérdidas de las dimension witnesses en el escenario DI (DIDWs) cuando el instrumento de preparación y el de medida comparten correlaciones preestablecidas. En ese contexto se determinan los umbrales para la eficiencia de detección crítica necesaria para la fiabilidad de DIDWs. Además, se estudian ataques a detectores en protocolos SDI cuánticos y clásicos, en el caso en que los aparatos de preparación y de medida no estén correlacionados, y se analizan las condiciones para que un espía potencial no pueda hackear estos protocolos usando las pérdidas experimentales. Por último, se estudian los procesos cuánticos demostrados recientemente de quantum state joining/splitting. Se prueba que una realización con óptica lineal del quantum state joining de dos fotones usando solo postselección (por tanto más simple de la demonstrada originalmente) no es posible, sino que este tipo de implementación requiere al menos un fotón auxiliar. Además, se demuestra que el quantum state joining es equivalente a preparar una clase particular de estados entrelazados de 3 qubits, mostrándose una posible aplicación del quantum joining de estados fotónicos para generar estados cluster complejos de fotones entrelazados
The technological era that we live in is sometimes described as the Information Age. Colossal amounts of data are generated every day and considerable effort is put into creating technologies to process, store and transmit information in a secure way. Quantum Information Science relies on quantum systems to develop new information technologies by exploiting the non-classical properties of those systems, such as entanglement or superposition. Quantum computing has recently received substantial investment, and quantum random number generators and cryptography systems are already available commercially. Entanglement is one of the counter-intuitive, mysterious phenomena that quantum theory is known to describe. Two entangled particles are such that, even when they are spatially separated, their quantum state can only be described for the system as a whole, and not as two independent quantum states. This implies that when making measurements on entangled particles, particular correlations between the measurement outcomes may appear which cannot be obtained with pre-shared classical information. Such correlations, termed nonlocal, can be detected using mathematical objects called Bell inequalities, that correspond to hyperplanes in the set of correlations obtained in a so-called Bell scenario. Many Bell experiments were conducted in which violations of Bell inequalities were measured, thus confirming the existence of nonlocality in Nature. The last decade has seen the development of a new paradigm in quantum information theory, called the device-independent paradigm. The security and success of a device-independent protocol relies on the observation of nonlocal correlations in a Bell experiment. Moreover, the nature of Bell scenarios is such that very few assumptions on the experimental apparatus are needed, hence the name device-independent. In this framework, Bell inequalities serve as certificates that guarantee properties and quantities such as the randomness of a series of numbers or the security of a secret key shared between users. It is even possible to certify which quantum state and measurements were used in the experiment based solely on the correlations they produce: this task is called self-testing. The goal of this thesis is the study of Bell inequalities, both as fundamental objects and as tools for device-independent protocols. We consider in particular protocols for randomness certification, quantum key distribution and self-testing. In Chapter 3, we develop robust self-testing procedures for the chained Bell inequalities, which also imply randomness certification. The chained Bell inequalities are a family of Bell inequalities that are relevant for a scenario with an arbitrary number of measurement choices. In Chapter 4, we introduce a family of Bell inequalities maximally violated by the maximally entangled states, valid for a scenario with any number of measurement choices as well as any number of measurement outcomes. We study the properties of these Bell inequalities in depth, and discuss through examples their applications to self-testing, randomness certification and quantum key distribution. We also present an extension of our results to any number of parties, as well as experimental results obtained in an international collaboration, where we measure violations of our Bell inequalities for local dimension up to 15. In Chapter 5, we consider the question of randomness certification from partially entangled states. We show, through self-testing results, that maximal randomness can be certified from any partially entangled state of two qubits, using the Clauser-Horne-Shimony-Holt inequality and its tilted version. La era tecnológica en la que vivimos en ocasiones es descrita como la Era de la Información. Todos los días se generan cantidades colosales de datos y se pone un gran esfuerzo en crear tecnologías para procesar, almacenar y transmitir esta información de manera segura. La teoría de la información cuántica se basa en los sistemas cuánticos para desarrollar nuevas tecnologías de la información mediante la explotación de sus propiedades no clásicas, tales como el entrelazamiento o la superposición. La computación cuántica ha recibido recientemente una inversión sustancial, y algunos sistemas de criptografía cuántica ya están disponibles en el mercado. El entrelazamiento es uno de los fenómenos contra-intuitivos y misteriosos descritos por la teoría cuántica. Dos partículas entrelazadas son tales que, incluso cuando están separadas espacialmente, su estado cuántico solo se puede describir como el de un sistema conjunto y no como dos estados cuánticos independientes. Esto implica que al realizar medidas sobre partículas entrelazadas, pueden aparecer correlaciones particulares entre los resultados de las medidas que no se pueden obtener con información clásica pre-compartida. Dichas correlaciones, denominadas no-locales, se pueden detectar utilizando objetos matemáticos llamados desigualdades de Bell. En la actualidad un gran número de experimentos de Bell han confirmado la existencia de no-localidad en la naturaleza a través de la observación de violaciones de desigualdades de Bell. La última década ha sido testigo del desarrollo de un nuevo paradigma en la teoría de la información cuántica, llamado el paradigma device-independent (independiente de dispositivos). La seguridad y el éxito de un protocolo device- independent se basan en la observación de correlaciones no-locales en un experimento de Bell. La naturaleza de los escenarios de Bell es tal que se necesitan muy pocas suposiciones sobre la implementación experimental, de ahí el nombre device-independent. En este marco, las desigualdades de Bell sirven como certificados que garantizan propiedades y cantidades, como la seguridad de una clave secreta compartida entre usuarios. Incluso se puede certificar qué estado cuántico y qué medidas se utilizaron en un experimento, basándose únicamente en las correlaciones que observadas: esta tarea se denomina selftesting (autoevaluación). Esta tesis estudia las desigualdades de Bell, tanto como objetos fundamentales como como herramientas para protocolos device-independent. En particular, consideramos protocolos para la certificación de aleatoriedad, la distribución cuántica de claves secretas y el selftesting. En el Capítulo 3, desarrollamos protocolos robustos de selftesting para las desigualdades de Bell encadenadas (que son relevantes para un escenario con un número arbitrario de opciones de medición), lo que también implica una certificación de aleatoriedad. En el Capítulo 4, introducimos una familia de desigualdades de Bell cuya violación máxima es obtenida con estados máximamente entrelazados, válidas para un escenario con cualquier número de opciones de medición, así como cualquier número de resultados por cada medición. Estudiamos en profundidad las propiedades de estas desigualdades de Bell y analizamos a través de ejemplos sus aplicaciones para protocolos device-independent. También presentamos una extensión de nuestros resultados a cualquier número de partes, así como resultados experimentales obtenidos en una colaboración internacional, donde medimos violaciones de nuestras desigualdades de Bell hasta una dimensión local de 15. En el Capítulo 5, consideramos la cuestión de la certificación de aleatoriedad a partir de estados parcialmente entrelazados. Mostramos, a través de resultados de selftesting, que se puede certificar una cantidad máxima de aleatoriedad a partir de cualquier estado parcialmente entrelazado de dos qubits, utilizando la desigualdad de Clauser-Horne-Shimony- Holt y su versión "tilted" L'era tecnològica en què vivim és a vegades descrita com l'era de la informació. Cada dia es generen quantitats colossals de dades i s’està dedicant un esforç considerable a la creació de tecnologies per processar, emmagatzemar i transmetre informació de manera segura. La teoria quàntica de la informació es fonamenta en l’ús de sistemes quàntics per tal de desenvolupar noves tecnologies de la informació que exploten les propietats no clàssiques d'aquests sistemes, com ara l’entrellaçament o la superposició. La computació quàntica ha rebut recentment inversions substancials, i criptosistemes quàntics es troben ja disponibles comercialment. L’entrellaçament és un dels fenòmens més contra-intutius i misteriosos que descriu la teoria quàntica. Dos partícules entrellaçades són tals que, fins i tot quan es troben separades espacialment, el seu estat quàntic pot ser descrit només prenent el sistema complet com una sola entitat, i no com dos estats quàntics independents. Això implica que al mesurar partícules entrellaçades, certes correlacions entre els resultats de les mesures poden sorgir, i aquestes correlacions no es podrien obtenir només amb informació clàssica pre-compartida. Tals correlacions, denotades no-locals, es poden detectar mitjançant ens matemàtics anomenats desigualtats de Bell. Al llarg de la historia, s'han fet multitud d'experiments de Bell en els quals s'ha observat la violació de desigualtats, confirmant doncs l’existència de la no-localitat en la naturalesa. L’ultima dècada ha estat testimoni del desenvolupament d'un nou paradigma en la teoria quàntica de la informació, anomenat device-independent (independent del dispositiu). La seguretat i l'èxit d'un protocol device-independent es fonamenta en l’observació de correlacions no-locals en la realització d'un experiment de Bell. La naturalesa dels escenaris de Bell és tal que realment poques hipòtesis sobre el funcionament dels aparells usats durant l'experiment són necessàries, donant lloc a la nomenclatura device-independent. En aquest marc de treball, les desigualtats de Bell serveixen com a certificats que garanteixen les propietats i les quantitats com ara la seguretat d'una clau secreta compartida entre usuaris. És fins i tot
(English) In the beginning of the last century, we witnessed a change of paradigm in how physics described the world with the formulation of quantum mechanics. This new theory shook the pillars of science by setting fundamental limits on our ability to describe nature. It was able to explain the laws that govern physics at the microscopic level, which could not be explained by means of the existing laws. The behavior at such small scales differs significantly from our daily experience. For instance, exotic phenomena such as entanglement or nonlocality are exclusively observed at the microscale. Entanglement and nonlocal correlations represent two essential resources in quantum information processing, enabling novel tasks that are unattainable within a classical framework. The end of the twentieth century has seen a wave of studies on the fundamental properties of quantum theory. Nowadays, as a consequence of these advances in quantum theory and experiments, various companies are selling devices claimed to perform a quantum information task with no classical analog, such as quantum random number generators, prototypes of quantum computers, or quantum key distribution devices. Since quantum devices cannot be simulated classically, it is hard to verify them using only classical resources, which are the ones available to the average user. Hence, a natural question to ask ourselves is how we can verify the properties and functioning of quantum devices in an efficient way. In this context, device-independent protocols have been developed in quantum information theory over the past decade. The main advantage of such protocols is that users do not have to make any assumption about the inner workings of their devices, considering them as black boxes. The security and success of a device-independent protocol relies on the observation of nonlocal correlations in a Bell experiment. This thesis is dedicated to provide tools to achieve the certification of quantum information devices or tasks in a device-independent way. In the first part of this thesis, we focus on certifying the security of device-independent quantum key distribution. To this end, we first study whether Bell nonlocality is a sufficient condition for security in the most used protocols, proving that there exist nonlocal correlations that are not useful for secure device-independent quantum key distribution using these protocols. Moreover, we study noisy scenarios, that is when experimental imperfections are present, and derive upper bounds on the two-way and one-way key rates for this kind of protocols. In the second part, we study self-testing, which is one of the simplest device-independent protocols. Its goal is to recover quantum states solely from the observed measurement correlations. In the majority of quantum information processing tasks one needs to consider a particular quantum state, making the certification of quantum states of great importance in the device-independent paradigm. We prove that all multipartite states of qubits can be self-tested. Moreover, we study self-testing in higher-dimensional systems. Finally, in the third part of this thesis, we tackle the problem of certification of entanglement. It is well known that certifying the presence of entanglement in a system is a hard task. The key methods for entanglement detection, entanglement witnesses and positive maps, rely on our understanding of the mathematical features of multilinear algebra. By using the fact that any separable state is one to one related to a matrix inequality, we port previously known results on the entanglement of states with positive partial transpose into the domain of matrix inequalities, which also allow us to translate multilinear positive maps back into entanglement witnesses. This approach leads to a unified treatment of a large class of matrix inequalities, allowing us to find new inequalities on the basis of advances in entanglement theory. (Català) A principis del segle passat vam ser testimonis d'un canvi de paradigma en la manera com la física descrivia el món, amb la formulació de la física quàntica, una nova teoria que sacsejà les bases de la ciència establint límits fonamentals a la nostra capacitat de descriure la natura. Era capaç d'explicar les lleis que governen la física a una escala microscòpica, a diferència de la física clàssica. El comportament a aquestes escales és radicalment diferent del que experimentem al nostre dia a dia. Per exemple, els fenòmens d'entrellaçament i no-localitat només es poden observar a escala microscòpica. Precisament, l'entrellaçament i les correlacions no locals són dos recursos essencials en el processament de la informació quàntica, permetent tasques innovadores inaccessibles dins una estructura purament clàssica. A finals segle XX es van produir una sèrie d'estudis de les propietats fonamentals de la física quàntica. Actualment, i com a conseqüència d'aquests avenços, diverses companyies venen aparells assegurant que duen a terme una tasca d'informació quàntica sense anàleg clàssic, com per exemple generadors de números aleatoris, prototips d'ordinadors quàntics, o aparells de distribució de claus quàntiques. Com que aquest tipus d'aparells no es poden simular clàssicament, resulta difícil verificar-ne el funcionament fent servir únicament recursos clàssics, que són els que estan a l'abast de l'usuari mitjà. Així doncs, és lògic preguntar-nos de quina manera podem verificar-ne el funcionament i les propietats d'una forma eficient. En aquest context, durant les útlimes dècades, s'han desenvolupat el que coneixem com protocols independents de l'aparell dins la teoria de la informació quàntica. El principal avantatge d'aquests protocols és que els usuaris no han de fer cap mena de suposició sobre el funcionament intern de l'aparell, considerant-los com caixes negres. L'èxit i la seguretat d'aquesta mena de protocols es basa en l'observació de correlacions no locals en un experiment de Bell. Aquesta tesi pretén proporcionar eines per aconseguir la certificació d'aparells o tasques d'informació quàntica amb independència de l'aparell utilitzat. Per aconseguir-ho, la tesi està dividida en tres parts. En primer lloc, ens centrem en la certificació de la seguretat en la distribució de claus quàntiques amb independència de l'aparell proporcionat. Per fer-ho, primer estudiem si la no-localitat de Bell és una condició suficient per garantir la seguretat en el tipus de protocols més utilitzats, demostrant que hi ha correlacions no locals que no són útils per la seguretat fent servir aquesta mena de protocols. A més, estudiem escenaris amb presència d'imperfeccions experimentals. En la segona part estudiem el que anomenem auto-proves, que és un dels protocols independents de l'aparell més simples que existeixen. L'objectiu és recuperar estats quàntics únicament a partir de les correlacions observades. Donat que en la majoria de tasques de processament d'informació és necessari considerar un estat quàntic determinat, certificar estats quàntics té una gran importància en aquest paradigma. Demostrem que els estats de qubits multipartits poden ser autoprovats i estudiem què podem saber de sistemes de dimensions més grans. Per acabar, entomem el problema de la certificació d'entrellaçament, ja que se sap de la dificultat de certificar la presència d'entrellaçament en un sistema. Els mètodes més coneguts per detectar entrellaçament són els testimonis d'entrellaçament i els mapes positius, i tots dos depenen de la nostra comprensió de les propietats de l'àlgebra multilineal. Fent servir que qualsevol estat separable té una correspondència unívoca amb una desigualtat matricial, traduim mapes multilineals positius a testimonis d'entrellaçament. Aquest enfocament ens duu a un tractament unificat d'una àmplia classe de desigualtats matricials, permetent-nos assolir nous avenços en la teoria de l'entrellaçament. (Español) A principios del siglo pasado fuimos testigos de un cambio de paradigma en la forma en la que la física describe el mundo gracias a la formulación de la física cuántica. Esta nueva teoría sacudió las bases de la ciencia, estableciendo límites fundamentales a nuestra capacidad de describir la naturaleza. Esta nueva teoría era capaz de explicar las leyes que gobiernan la física a nivel microscópico, a diferencia de la física clásica. El comportamiento a estas escalas es radicalmente distinto a nuestras experiencias diarias. Por ejemplo, los fenómenos de entrelazamiento y no-localidad sólo pueden ser observados a escala microscópica. Precisamente, el entrelazamiento y las correlaciones no locales son dos recursos esenciales en el procesamiento de la información cuántica, permitiendo tareas innovadoras inaccesibles dentro de una estructura puramente clásica. A finales del siglo XX se produjeron una serie de estudios de las propiedades fundamentales de la física cuántica. Actualmente, como consecuencia de estos avances en la teoría cuántica y los experimentos realizados, varias compañías están vendiendo aparatos asegurando que realizan tareas de información cuántica sin análogo clásico, como por ejemplo generadores de números aleatorios, prototipos de ordenadores cuánticos, o aparatos de distribución de claves cuánticas. Dado que este tipo de aparatos no se pueden simular clásicamente, resulta difícil verificar su funcionamiento utilizando sólo recursos clásicos, que son los que están disponibles para un usuario medio. Por lo tanto, resulta lógico preguntarnos de qué forma podemos verificar el funcionamiento y las propiedades de estos aparatos de una forma eficiente. En este contexto, durante las últimas décadas, se han desarrollado lo que se conoce como protocolos independientes del aparato –device-independent protocols– en el marco de la teoría de la información cuántica. La principal
According to recent estimates, 10^18 bytes of data are generated on a daily basis around the globe. Our information society urges for radical solutions to treat such data deluge. By exploiting fundamental key elements of quantum theory -arguably the most probed theory of modern physics- quantum information science is nowadays revolutionizing the way in which we acquire, process, store and transmit information. In the midst of the information era, the potential of quantum technologies is being recognized by the industry sector, and in turn, new capabilities for quantum information processing keep driving exciting discoveries related to more fundamental aspects of science. There are several research programs all around the world fostering the development and commercialization of quantum technologies, mostly for cryptographic and randomness generation duties. Thus, the technological limitations that today step us aside from the quantum information era are gradually being overcome. But there is a fundamental issue that still needs to be faced: the impossibility to know what is really going on in quantum experiments, due to their atomic-scale dimensions. Indeed, how will an average user guarantee the proper functioning of a quantum device that has been purchased from an external company? To his eyes, the device will merely look like a black box. Even if the customer holds a PhD in quantum science, the issue will remain fundamentally cumbersome because of the impossibility to fully control, i.e. monitor, all the physical processes occurring in any quantum experiment. Furthermore, the situation turns even more dramatic when considering adversarial applications, where a malicious eavesdropper could break the devices to manipulate their internal working, turning the protocol insecure and hence irrelevant as well. Therefore, it is the purpose of this Thesis to contribute to the experimental development of quantum information protocols with uncharacterized devices, namely, device-independent quantum information protocols. These protocols are naturally immune to any attack or failure related to mismatches between protocol theory and its actual implementation. This is achieved throughout the different Chapters by pursuing the following three overlapping duties: (i) To broaden theoretic capabilities by establishing a richer understanding of relevant fundamental resources lying at the basis of the theory of quantum information with uncharacterized devices. (ii) To develop competitive quantum information protocols by finding an adequate trade-off between high-performance and practicability; between the power of the device-independent framework and its less demanding, so-called semi-device-independent, relaxations. (iii) To analyze and improve experimental conditions of diverse physical setups in order to carry out implementations in proof-of-principle experiments demonstrating quantum information protocols with black boxes. Our objective of turning the theory of quantum information into a graspable technology for our society through the development and implementation of protocols based on the minimalist, user-friendly, black-box paradigm contributes not only to the technological development of these protocols, but it also offers valuable insights on more fundamental aspects of quantum theory. In this sense, we contribute to the characterization and quantification of entanglement -the pivotal quantum resource at the basis of most testable phenomena without classical account- in scenarios of practical interest where uncharacterized devices are used. From the more applied perspective, we contribute to the development of two specific information tasks: the certification of genuinely random numbers in device-independent and semi-device-independent scenarios, and the generation of a shared secret key among two parties in a full device-independent manner. De acuerdo con estimaciones recientes, 10^18 bytes de datos se generan diariamente alrededor del mundo. Nuestra sociedad necesita urgentemente soluciones efectivas para lidiar con este diluvio de datos. Utilizando elementos fundamentales de la teoría cuántica -la teoría más explorada de la física moderna, posiblemente- la información cuántica está revolucionando la forma en la que adquirimos, procesamos, almacenamos y transmitimos información. En plena era de la información, el sector industrial reconoce cada vez más el potencial de las tecnologías cuánticas, y a su vez nuevos desarrollos en el procesamiento de la información cuántica continúan impulsando descubrimientos prominentes relacionados con aspectos científcos de carácter más fundamental. Existen varios programas de investigación alrededor del mundo desarrollando y comercializando tecnologías cuánticas, principalmente para aplicaciones de criptografía y generación de números aleatorios. Así, las limitaciones que hoy nos separan de la era de la información cuántica están siendo gradualmente superadas. Sin embargo, existe un problema fundamental que aún necesita ser enfrentado: la imposibilidad de saber lo que realmente sucede en un experimento cuántico, debido a sus dimensiones de tamaño atómico. En efecto, ¿cómo podrá un usuario garantizar el funcionamiento adecuado de un dispositivo cuántico que ha sido adquirido a través de una compañía externa? A sus ojos el dispositivo será una verdadera caja negra. Incluso si el usuario contara con un Doctorado en ciencia cuántica, el problema prevalecería insoluble debido a la imposibilidad de controlar a la perfección, es decir monitorear, todos los procesos físicos que ocurren en cualquier experimento cuántico. Además, la situación se vuelve aún más dramática si se piensa en aplicaciones en donde un agente maligno pudiese hackear los dispositivos y manipular su funcionamiento interno, volviendo así el protocolo en cuestión inseguro y por ende también irrelevante. El propósito de esta Tesis es entonces contribuir al desarrollo experimental de protocolos de información cuántica con dispositivos sin caracterizar, llamados "device-independent". Estos protocolos son, por naturaleza, immunes a cualquier ataque o falla relacionada con desajustes entre la teoría y la implementación del protocolo. Esto se logra a lo largo de los diferentes Capítulos prosiguiendo las siguientes tres tareas que en ocasiones se traslapan: (i) Ampliar las capacidades teóricas estableciendo un entendimiento mayor de los recursos fundamentales de la teoría de la información cuántica con dispositivos sin caracterizar. (ii) Desarrollar protocolos de información cuántica competitivos, encontrando un intercambio adecuado entre alto rendimiento y practicabilidad; entre el poder del marco de trabajo device-independent y sus menos demandantes versiones, dichas "semi-device-independent". (iii) Analizar y mejorar las condiciones experimentales de diversas plataformas para llevar a cabo implementaciones en experimentos de prueba de principio, demostrando la realización de protocolos de información cuántica con cajas negras. Nuestro objetivo de convertir la teoría de la información cuántica en una tecnología tangible para nuestra sociedad a través del uso de dispositivos sin caracterizar contribuye no solamente al desarrollo tecnológico de estos protocolos, sino que también ofrece una visión valiosa de aspectos más fundamental. En este sentido, contribuimos a la caracterización y cuantificación del entrelazamiento -el recurso cuántico fundamental de muchos fenómenos sin contraparte clásica- en escenarios de interés práctico en dónde se consideran dispositivos sin caracterizar. Desde la perspectiva más aplicada, contribuimos al desarrollo de dos tareas específicas: la certificación de números genuinamente aleatorios en escenarios device-independent y semi-device-independent, y la generación de una llave secreta entre dos partes de manera device-independent.
Quantum mechanics dramatically revolutionized our understanding of nature, challenged traditional information theory, and led to significant technological advancements. Two of the most counterintuitive features of quantum mechanics are quantum nonlocality and quantum contextuality. These features rule out hidden-variable models that attempt to explain quantum phenomena based on classical intuition. Quantum non-locality, first revealed by Bell's theorem in 1964, rules out local hidden-variable (LHV) models, originating from the famous Einstein-Podolsky-Rosen paradox. Meanwhile, quantum contextuality, originally pinpointed by the Kochen-Specker (KS) theorem in 1967, focuses on single-system correlations rather than between space-like separated systems, demonstrating quantum mechanics is incompatible with non-contextual hidden-variable (NCHV) models. Quantum correlations are crucial in several applications, both in computing and communication tasks. They also enable the strongest form of cryptographic security through the device-independent (DI) paradigm, where devices are treated as black-boxes, and could even be supplied by potentially malicious adversaries. The semi-device-independent (SDI) paradigm offers a more practical solution by balancing security and feasibility, allowing for some assumptions about devices. Since different DI and SDI applications require specific properties, this thesis focuses on designing optimal quantum correlations for these applications. DI randomness amplification (DIRA) is an important task in DI information processing, that converts a weak, biased seed into a fully random one. Quantum correlations on the boundary of the no-signaling set are necessary for this task. We introduce a class of almost-quantum Bell inequalities and develop a tilted version of the celebrated Hardy’s paradox showing corresponding quantum correlations enhance the robustness and efficiency in state-of-the-art DIRA protocols. Another direction pursued in the thesis is the study of self-testing, a DI approach to certify the state and measurements of quantum systems in a unique manner. We investigated three families of quantum correlations, the tilted Hardy tests, which we prove self-test any two-qubit pure entangled state, except the maximally-entangled one, the α-CHSH inequalities, where we prove robust self-test of the singlet and corresponding measurements, and weighted-Braunstein-Caves chained inequalities, which we prove delineate a boundary for the quantum correlation set, extending beyond the well-known Tsirelson-Landau-Masanes boundary. A third main direction explored in the thesis is the efficient construction of novel state-dependent and state-independent contextuality proof. We provide an optimal and experiment-friendly toolbox for various contextuality-based applications, including demonstrating entanglement-assisted advantages in zero-error communication, separating binary-outcome no-signaling models from quantum theory, and achieving optimal randomness rate in the SDI paradigm. We also discuss and address issues arising from the noise and errors in real-world experimental tests of the KS theorem, and show that quantum mechanics also violates NCHV models under arbitrary relaxation of the so-called non-disturbance conditions. Finally, a counter-intuitive phenomenon, termed ``bound randomness'', is introduced, revealing a deep resource-theoretical relationship between non-locality and DI-certified randomness. Analogous to Werner's famous result that entanglement is not sufficient for non-locality, ``bound randomness'' indicates non-locality is not always sufficient for DI randomness certification under standard spot-checking protocols. In conclusion, this thesis introduces key techniques in contextuality and non-locality for designing targeted correlations for various DI and SDI applications.
A key aspect in quantum information is to understand the advantage offered by quantum systems over classical ones in communication tasks. In recent years, a fundamental approach to this problem has been developed, focusing on quantum correlations in prepare-and-measure scenarios. Inspired by the developments in Bell nonlocality and device-independent information processing, this line of research aims to characterize the possibilities and limits of quantum systems for communication, in particular to precisely capture the advantage they offer over classical systems. In addition to fundamental insights, these ideas also underpin the concept of semi-device-independent quantum information processing. Exploring trade-offs between security, performance and ease-of-implementation, this approach opens promising directions for novel quantum information processing technologies and devices. A number of protocols and proof-of-principle demonstrations have been reported in recent years, in particular for quantum randomness certification and key distribution. Here, we provide a comprehensive introduction to quantum prepare-and-measure correlations and semi-device independent applications.
Quantum physics is arguably both the most successful and the most counterintuitive physical theory of all times. Its extremely accurate predictions on the behaviour of microscopic particles have led to unprecedented technological advances in various fields and yet, many quantum phenomena defy our classical intuition. Starting from the 1980’s, however, a paradigm shift has gradually taken hold in the scientific community, consisting in studying quantum phenomena not as inexplicable conundrums but as useful resources. This shift marked the birth of the field of quantum information science, which has since then explored the advantages that quantum theory can bring to the way we process and transfer information. In this thesis, we introduce scalable certification tools that apply to various operational properties of many-body quantum systems. In the first three cases we consider, we base our certification protocols on the detection of nonlocal correlations. These kinds of non-classical correlations that can displayed by quantum states allow one to assess relevant properties in a device-independent manner, that is, without assuming anything about the specific functioning of the device producing the state of interest or the implemented measurements. In the first scenario we present an efficient method to detect multipartite entanglement in a device-independent way. We do so by introducing a numerical test for nonlocal correlations that involves computational and experimental resources that scale polynomially with the system number of particles. We show the range of applicability of the method by using it to detect entanglement in various families of multipartite systems. In multipartite systems, however, it is often more informative to provide quantitative statements. We address this problem in the second scenario by introducing scalable methods to quantify the nonlocality depth of a multipartite systems, that is, the number of particles sharing nonlocal correlations among each other. We show how to do that by making use of the knowledge of two-body correlations only and we apply the resulting techniques to experimental data from a system of a few hundreds of atoms. In the third scenario, we move to consider self-testing, which is the most informative certification method based on nonlocality. Indeed, in a self-testing task, one is interested in characterising the state of the system and the measurement performed on it, by simply looking at the resulting correlations. We introduce the first scalable self-testing method based on Bell inequalities and apply it to graph states, a well-known family of multipartite quantum states. Moreover, we show that the certification achieved with our method is robust against experimental imperfections. Lastly, we address the problem of certifying the result of quantum optimizers. They are quantum devices designed to estimate the groundstate energy of classical spin systems. We provide a way to efficiently compute a convergent series of upper and lower bounds to the minimum of interest, which at each step allows one to certify the output of any quantum optimizer. La física cuántica es posiblemente la teoría física más exitosa y la más contraintuitiva jamás desarollada. A pesar de que sus predicciones extremadamente precisas sobre el comportamiento de las partículas microscópicas han llevado a avances tecnológicos sin precedentes en varios campos, muchos fenómenos cuánticos desafían nuestra intuición basada en una concepción clásica de la física. Sin embargo, a partir de la década de 1980 tuvo lugar un cambio de paradigma en la comunidad científica, que se orientó en estudiar los fenómenos cuánticos no como enigmas inexplicables, sino como recursos útiles. Este cambio marcó el nacimiento del campo de la ciencia de la información cuántica, que desde entonces ha explorado las ventajas que la teoría cuántica puede aportar a la forma en que procesamos y transferimos la información. Hoy en día es un hecho bien establecido que la codificación de información en partículas cuánticas puede llevar, por ejemplo, a procesos de cálculo más eficientes, así como a comunicaciones extremadamente seguras. Además, debido a sus aplicaciones prácticas a la vida cotidiana, la ciencia de la información cuántica ha atraído un gran interés político y económico. Recientemente se han lanzado varias iniciativas con el propósito de cerrar la brecha entre la ciencia básica y la industria en este campo, tanto a nivel nacional como internacional. Al mismo tiempo, cada vez más empresas están incrementando sus esfuerzos para producir dispositivos cuánticos a nivel comercial. No hay duda de que hemos entrado en la era de la primera generación de dispositivos cuánticos, en la cual los sistemas cuánticos controlables compuestos de decenas o cientos de partículas son cada vez más accesibles. En tal escenario, el certificar que estos dispositivos exhiben sus atractivas propiedades cuánticas constituye un problema fundamental. Es importante destacar que, para que los métodos de certificación deseados sean aplicables en situaciones reales, éstos deben ser escalables con el tamaño del sistema. En otras palabras, tienen que basarse en requerimientos computacionales y experimentales que crezcan, a lo sumo,polinomialmente con el número de partículas en el sistema de interés. En esta tesis, introducimos herramientas de certificación escalables que se aplican a varias propiedades operativas de sistemas cuánticos de muchos cuerpos. En los primeros tres casos que consideramos, basamos nuestros protocolos de certificación en la detección de correlaciones no locales. Estos tipos de correlaciones no clásicas, que únicamente pueden ser producidas por sistemas cuánticos, permiten evaluar propiedades relevantes de forma independiente del dispositivo, es decir, sin realizar hipótesis acerca del funcionamiento específico del dispositivo que produce el estado de interés o las mediciones implementadas. En el primer escenario, presentamos un método eficiente para detectar entrelazamiento en sistemas multipartitos de forma independiente del dispositivo. Lo hacemos mediante la introducción de una prueba numérica para las correlaciones no locales que involucra recursos computacionales y experimentales que escalan polinomialmente con el número de partículas del sistema. Mostramos el rango de aplicabilidad de dicho método usándolo para detectar entrelazamiento en varias familias de sistemas multipartitos. Sin embargo, al tratar con sistemas de muchos cuerpos a menudo es más informativo proporcionar informaciones cuantitativas. Abordamos este problema en el segundo escenario mediante la introducción de métodos escalables para cuantificar la profundidad no local (non-locality depth) de un sistema multipartito, es decir, la cantidad de partículas que comparten correlaciones no locales entre sí. Mostramos cómo realizar dicha cuantificación a partir del conocimiento únicamente de los correladores de dos cuerpos, y aplicamos las técnicas resultantes a los datos experimentales de un sistema de unos pocos cientos de átomos. En el tercer escenario, pasamos a considerar el caso de self-testing, que es el método de certificación más informativo basado en la no localidad. De hecho, en una tarea de self-testing, el objetivo es caracterizar el estado del sistema y las mediciones realizadas en él, simplemente observando las correlaciones resultantes. Introducimos el primer método de self-testing escalable basado en las desigualdades de Bell y lo aplicamos a estados de grafo, una familia muy conocida de estados cuánticos multipartitos. Además, demostramos que la certificación lograda con nuestro método es robusta a imperfecciones experimentales. Por último, consideramos el problema de certificar el resultado de optimizadores cuánticos. Estos son dispositivos cuánticos diseñados para estimar la energía del estado fundamental de sistemas de espines clásicos. Desarollamos un método eficiente para calcular una serie convergente de límites superiores e inferiores al mínimo de interés, que en cada paso permite certificar el resultado de cualquier optimizador cuántico