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.
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.
The formulation of quantum physics stands among the most revolutionary theories of the twentieth century. During the first decades of this century, many phenomena concerning the microscopic world were unexplained or had ad-hoc descriptions. The theory of quantum physics introduced a framework that allowed predicting these phenomena with unprecedented precision. While quantum mechanics offered counter-intuitive explanations for these experimental results, it predicted unexpected quantum phenomena which were considered symptoms of an ill-defined theory. Decades passed and more and more empirical evidences sustained the existence of purely quantum effects and therefore the validity of this theory. Hence, it became a solid branch of science and physicists started to engineer scenarios where quantum effects could provide improvements if compared with classical scenarios. This approach gave birth to quantum information science, where quantum particles are manipulated to perform information tasks. Several innovative protocols, e.g. concerning state teleportation, dense coding, cryptography and integer factorization algorithms, proved that quantum physics allowed performances unattainable in classical settings. The formulation of quantum protocols able to provide substantial speed-ups raised wide interest of the academic world and private companies. Nonetheless, the implementation of more and more complex quantum protocols became an increasingly harder task. Indeed, manipulating a large number of quantum particles with a level of noise that is small enough to obtain quantum advantages is, even nowadays, a demanding goal. The purely-quantum features essential for these speed-ups are fragile when noise influences experimental apparatus. Hence, in order to access the full potential of quantum theory, the ability to handle noisy environments is a fundamental goal. This thesis is devoted to the study of open quantum systems (OQS), namely those where the interaction between the target quantum system and its surrounding environment is taken under consideration during the evolution. Indeed, isolated systems cannot provide realistic descriptions of dynamics. Understanding how to exploit and manipulate environments in order to obtain dynamics that are less aggressive with the information stored in our OQS is therefore an essential goal to achieve quantum advantages. There are two possible dynamical regimes for the information encoded in an OQS. We call an evolution Markovian when there is a one-way flow of information from the OQS to the environment. Instead, the non-Markovian regime is distinguished by one or more time intervals when this flow is reversed. In this case, we say that we witness information backflows. A characterization based on the different types of information quantifiers that can be considered in this context is fundamental to exploit these phenomena in information processing scenarios. The main goal of this thesis is to examine the potential of correlation measures to show backflows when the OQS dynamics is non-Markovian. The first three works that we expose are devoted to this topic. First, we study how entanglement and quantum mutual information behave under non-Markovian evolutions. We follow with the formulation of a correlation measure that is able to witness almost-all non-Markovian evolutions. The last work along this topic provides the first one-to-one relation between correlation backflows and non-Markovian evolutions. The last work in this thesis adopts a different point of view under which we can characterize OQS evolutions. We quantify non-Markovianity through the minimal amount of Markovian noise that has to be added in order to make an evolution Markovian. La formulación de la física cuántica se encuentra entre las teorías más revolucionadoras del siglo XX. Durante las primeras décadas de siglo, muchos fenómenos asociados al mundo microscópico yacían sin una descripción clara, o bien ésta era ad-hoc. La física cuántica introdujo un marco que permitió explicar estos fenómenos con una precisión sin precedentes. Si bien sus explicaciones eran contraintuitivas, los inesperados fenómenos cuánticos que predijo se consideraron síntomas de una teoría mal definida. Pasaron los años y cada vez más evidencias empíricas sostuvieron la existencia de efectos puramente cuánticos, validando esta teoría. La física cuántica se convirtió en una sólida rama de la ciencia, y los físicos comenzaron a diseñar escenarios en los que sus efectos pudieran proporcionar mejoras en comparación con sus alternativas clásicas. Este enfoque dio origen al campo de la información cuántica, donde las partículas cuánticas se manipulan para realizar tareas de información. Varios innovadores protocolos, como la teletransportación de estados cuánticos, la “codificación densa”, la criptografía y los algoritmos de factorización de enteros, demostraron el potencial de la física cuántica frente a estrategias clásicas. La formulación de protocolos cuánticos capaces de proporcionar considerables mejoras despertó un gran interés en el mundo académico y en las empresas privadas. No obstante, la implementación de protocolos cuánticos cada vez más complejos se convirtió en una tarea sustancialmente más difícil. De hecho, manipular una gran cantidad de partículas cuánticas con un nivel de ruido lo suficientemente pequeño como para obtener ventajas cuánticas es, incluso a día de hoy, un objetivo exigente. Las características puramente cuánticas vitales para obtener estas mejoras son frágiles al ruido que afecta los instrumentos experimentales. Por lo tanto, para acceder a todo el potencial subyacente a la teoría cuántica, la capacidad de manejar ambientes ruidosos resulta un objetivo fundamental. Esta tesis está dedicada al estudio de los sistemas cuánticos abiertos (SCA), es decir, aquellos en los que se tiene en cuenta la interacción entre el sis6 tema cuántico objeto y su ambiente circundante durante la evolución. De hecho, los sistemas aislados no pueden proporcionar descripciones realistas de la dinámica. Entender cómo explotar estos ambientes para obtener dinámicas menos agresivas con la información almacenada en nuestro SCA, es un objetivo primordial para conseguir ventajas cuánticas. Hay dos posibles regímenes dinámicos para la información codificada en un SCA. Decimos que una evolución es Markoviana cuando hay un flujo de información unidireccional desde el SCA al medio ambiente. Por contra, en el régimen no Markoviano se distinguen unos intervalos temporales en los que este flujo se invierte. En este caso, decimos que somos testigos de reflujos de información. Una caracterización basada en los diferentes tipos de cuantificadores de información que pueden considerarse en este contexto es fundamental para explotar estos fenómenos en escenarios de procesamiento de información. El objetivo principal de esta tesis es examinar el potencial de las medidas de correlación para mostrar reflujos cuando la dinámica es no Markoviana. Los tres primeros trabajos que exponemos están dedicados a este tema. En primer lugar, estudiamos los potenciales del entanglement entrelazamiento y la información mutua cuántica. Seguidamente presentamos la formulación de una medida de correlación capaz de presenciar casi todas las evoluciones no Markovianas. Por último, proponemos la primera relación de equivalencia entre los reflujos de correlación y la no Markovianidad. Concluimos proponiendo un punto de vista diferente bajo el cual podemos caracterizar las evoluciones de SCA. Cuantificamos la no Markovianidad a través de la mínima cantidad de ruido Markoviano que debe agregarse para tornar una evolución en Markoviana.
Quantum theory, as counter-intuitive as a theory can get, has turned out to make predictions of the physical world that match observations so precisely that it has been described as the most accurate physical theory ever devised. Viewing quantum entanglement, superposition and interference not as undesirable necessities but as interesting resources paved the way to the development of quantum information science. This area studies the processing, transmission and storage of information when one accounts that information is physical and subjected to the laws of nature that govern the systems it is encoded in. The development of the consequences of this idea, along with the great advances experienced in the control of individual quantum systems, has led to what is now known as the second quantum revolution, in which quantum information science has emerged as a fully-grown field. As such, ideas and tools developed within the framework of quantum information theory begin to permeate to other fields of research. This Ph.D. dissertation is devoted to the use of concepts and methods akin to the field of quantum information science in other areas of research. In the same way, it also considers how encoding information in quantum degrees of freedom may allow further development of well-established research fields and industries. This is, this thesis aims to the study of quantum information outside the field of quantum information. Four different areas are visited. A first question posed is that of the role of quantum information in quantum field theory, with a focus in the quantum vacuum. It is known that the quantum vacuum contains entanglement, but it remains unknown whether it can be accessed and exploited in experiments. We give crucial steps in this direction by studying the extraction of vacuum entanglement in realistic models of light-matter interaction, and by giving strict mathematical conditions of general applicability that must be fulfilled for extraction to be possible at all. Another field where quantum information methods can offer great insight is in that of quantum thermodynamics, where the idealizations made in macroscopic thermodynamics break down. Making use of a quintessential framework of quantum information and quantum optics, we study the cyclic operation of a microscopic heat engine composed by a single particle reciprocating between two finite-size baths, focusing on the consequences of the removal of the macroscopic idealizations. One more step down the stairs to applications in society, we analyze the impact that encoding information in quantum systems and processing it in quantum computers may have in the field of machine learning. A great desideratum in this area, largely obstructed by computational power, is that of explainable models which not only make predictions but also provide information about the decision process that triggers them. We develop an algorithm to train neural networks using explainable techniques that exploits entanglement and superposition to execute efficiently in quantum computers, in contrast with classical counterparts. Furthermore, we run it in state-of-the-art quantum computers with the aim of assessing the viability of realistic implementations. Lastly, and encompassing all the above, we explore the notion of causality in quantum mechanics from an information-theoretic point of view. While it is known since the work of John S. Bell in 1964 that, for a same causal pattern, quantum systems can generate correlations between variables that are impossible to obtain employing only classical systems, there is an important lack of tools to study complex causal effects whenever a quantum behavior is expected. We fill this gap by providing general methods for the characterization of the quantum correlations achievable in complex causal patterns. Closing the circle, we make use of these tools to find phenomena of fundamental and experimental relevance back in quantum information. La teoría cuántica, la más extraña y antiintuitiva de las teorías físicas, es también considerada como la teoría más precisa jamás desarrollada. La interpretación del entrelazamiento, la superposición y la interferencia como interesantes recursos aprovechables cimentó el desarrollo de la teoría cuántica de la información (QIT), que estudia el procesado, transmisión y almacenamiento de información teniendo en cuenta que ésta es física, en tanto a que está sujeta a las leyes de la naturaleza que gobiernan los sistemas en que se codifica. El desarrollo de esta idea, en conjunción con los recientes avances en el control de sistemas cuánticos individuales, ha dado lugar a la conocida como segunda revolución cuántica, en la cual la QIT ha emergido como un área de estudio con denominación propia. A consecuencia de su desarrollo actual, ideas y herramientas creadas en su seno comienzan a permear a otros ámbitos de investigación. Esta tesis doctoral está dedicada a la utilización de conceptos y métodos originales del campo de información cuántica en otras áreas. También considera cómo la codificación de información en grados de libertad cuánticos puede afectar el futuro desarrollo de áreas de investigación e industrias bien establecidas. Es decir, esta tesis tiene como objetivo el estudio de la información cuántica fuera de la información cuántica, haciendo hincapié en cuatro ámbitos diferentes. Una primera cuestión propuesta es la del papel de la información cuántica en la teoría cuántica de campos, con especial énfasis en el vacío cuántico. Es conocido que el vacío cuántico contiene entrelazamiento, pero aún se desconoce éste es accesible para su uso en realizaciones experimentales. En esta tesis se dan pasos cruciales en esta dirección mediante el estudio de la extracción de entrelazamiento en modelos realistas de la interacción materia-radiación, y dando condiciones matemáticas estrictas que deben ser satisfechas para que dicha extracción sea posible. Otro campo en el cual métodos propios de QIT pueden ofrecer nuevos puntos de vista es en termodinámica cuántica. A través del uso de un marco de trabajo ampliamente utilizado en información y óptica cuánticas, estudiamos la operación cíclica de un motor térmico microscópico que alterna entre dos baños térmicos de tamaño finito, prestando especial atención a las consecuencias de la eliminación de las idealizaciones macroscópicas utilizadas en termodinámica macroscópica. Acercándonos a aplicaciones industriales, analizamos el potencial impacto de codificar y procesar información en sistemas cuánticos en el ámbito del aprendizaje automático. Un fin codiciado en esta área, inaccesible debido a su coste computacional, es el de modelos explicativos que realicen predicciones, y además ofrezcan información acerca del proceso de decisión que las genera. Presentamos un algoritmo de entrenamiento de redes neuronales con técnicas explicativas que hace uso del entrelazamiento y la superposición para tener una ejecución eficiente en ordenadores cuánticos, en comparación con homólogos clásicos. Además, ejecutamos el algoritmo en ordenadores cuánticos contemporáneos con el objetivo de evaluar la viabilidad de implementaciones realistas. Finalmente, y englobando todo lo anterior, exploramos la noción de causalidad en mecánica cuántica desde el punto de vista de la teoría de la información. A pesar de que es conocido que para un mismo patrón causal existen sistemas cuánticos que dan lugar a correlaciones imposibles de generar por mediación de sistemas clásicos, existe una notable falta de herramientas para estudiar efectos causales cuánticos complejos. Cubrimos esta falta mediante métodos generales para la caracterización de las correlaciones cuánticas que pueden ser generadas en estructuras causales complejas. Cerrando el círculo, usamos estas herramientas para encontrar fenómenos de relevancia fundamental y experimental en la información cuántica
(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
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
Each computer is essentially an actual framework, and any calculation is only an actual cycle gone through by this framework. Quantum physics is the most dependable approach to depicting actual frameworks and their overall conduct. Encoding information into quantum frameworks and processing it as indicated by the laws of quantum physics brings about new elements which don’t exist in the old-style calculation. Quantum information processing is a cross-disciplinary field and is critical from, both, a crucial as well as an innovative viewpoint. According to the crucial viewpoint, we have developed how we might interpret the connection between physics, information, and calculation as a general rule, and have additionally acquired a more profound comprehension of the principal parts of the quantum hypothesis—non-area and entanglement specifically. According to the mechanical point of view, we have controlled increasingly large quantum frameworks and acquired strong down to earth applications in the area of correspondence and cryptography like the unequivocally solid quantum cryptography (key trade) and quantum instant transportation The more prominent capability of the quantum computer was first acknowledged by Feynman, who noticed that quantum frameworks give off an impression of being dramatically difficult to recreate with traditional computers and expressed that quantum computers might actually be significantly more remarkable than their old-style partners. The improvement of quantum information science (QIS) has been driven by hypothetical work of researchers dealing with the limit between Physics, Computer Science, Mathematics, and Information Theory. In the beginning phases of this turn of events, hypothetical work has regularly been a long way in front of test acknowledgement of these thoughts. Simultaneously, the hypothesis has given various propositions of how to execute fundamental thoughts and ideas from quantum information in explicit actual frameworks.
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