(English) Understanding the cause and effect relationships behind observed correlations is central to how we reason and interact with the world. Causal relationships help us make sense of the patterns we observe and predict what interventions in nature might lead to a desired outcome. These patterns can be mathematically framed as the joint probability distribution of a set of classical random variables which capture information gathered from the environment. This information may range from abstract data, like survey response statistics, to physical events, such as the probability of triggering a photon detector. A fundamental question is that of causal compatibility: Are the observed correlations compatible with a given causal explanation? A causal explanation can be expressed in terms of causal models, which can be systematically studied with the tools provided by the field of causal inference. Causal models consist of observable random variables with known probability distributions and latent variables with unknown distributions which, together, explain observed correlations through causal influences, that is, functional relationships between the values of these variables. Quantum theory---one of the most accurate theories at a fundamental level---is inherently probabilistic. Measurement results are, therefore, represented as random variables. This naturally leads to causal analysis: Which cause and effect relationships can explain observed measurement statistics in a quantum experiment? One of the simplest quantum experiments is that of two distant parties performing space-like separated, independently chosen measurements on a shared quantum state. In 1964, John Bell showed that in this experiment quantum theory predicts correlations that defy any classical common-cause explanation through a result known as Bell's Theorem. This phenomenon is known as Bell nonlocality. This thesis aims to operationally characterize the fundamental differences between classical and quantum theories within causal scenarios beyond Bell's common-cause scenario. Such an understanding may eventually help integrate quantum phenomena into a coherent, conceptually clear framework of causality. Towards this goal, we explore how classical and quantum causal models diverge in operational tasks in specific causal scenarios. We focus on simple scenarios that go beyond Bell's, while seeking to discover new forms of quantum advantage that are fundamentally different from traditional Bell nonlocality. Our goal is to link these new forms of quantum advantage to different nonclassical features of quantum theory and study their potential applications. A critical component of this research is testing for the causal compatibility of specific correlations with a given causal model. As such, an important part of this thesis is dedicated to expanding and refining the scope of current methods for testing causal compatibility. (Català) Entendre les relacions de causa i efecte darrere de les correlacions observades és central per a la nostra manera de raonar i interactuar amb el món. Les relacions de causa i efecte ens ajuden a donar sentit als patrons que observem i predir quines intervencions en la naturalesa podrien portar a un resultat desitjat. Aquests patrons es poden emmarcar matemàticament com la distribució de probabilitat conjunta d'un conjunt de variables aleatòries clàssiques que capturen informació recollida de l'entorn. Aquesta informació pot variar des de dades abstractes, com estadístiques de respostes d'enquestes, fins a esdeveniments físics, com la probabilitat d'activar un fotodetector. Una pregunta fonamental és la de la compatibilitat causal: Són les correlacions observades compatibles amb una explicació causal donada? Una explicació causal pot expressar-se en termes de models causals, els quals poden ser estudiats sistemàticament amb les eines proporcionades pel camp de la inferència causal. Els models causals consisteixen en variables aleatòries observables amb distribucions de probabilitat conegudes i variables latents amb distribucions desconegudes que, juntes, expliquen les correlacions observades a través d'influències causals, és a dir, relacions funcionals entre els valors d'aquestes variables. La teoria quàntica, una de les teories més precises a nivell fonamental, és inherentment probabilística. Per tant, els resultats de les mesures es representen com a variables aleatòries. Això porta naturalment a l'anàlisi causal: Quines relacions de causa i efecte poden explicar els resultats obtinguts en un experiment quàntic? Un dels experiments quàntics més simples és aquell en què dos laboratoris distants realitzen mesures triades independentment i separades espacialment sobre un estat quàntic compartit. El 1964, John Bell va demostrar que en aquest experiment la teoria quàntica prediu correlacions que desafien qualsevol explicació clàssica en termes de causes comunes. Aquest resultat és conegut com el Teorema de Bell, i el fenomen com no localitat de Bell. Aquesta tesi té com a objectiu caracteritzar operacionalment les diferències fonamentals entre les teories clàssiques i quàntiques dins d'escenaris causals més enllà de l'escenari de causa comuna de Bell. Aquest enteniment eventualment pot ajudar a integrar fenòmens quàntics en un marc de causalitat coherent i conceptualment clar. Per assolir aquest objectiu, explorem com els models causals clàssics i quàntics divergeixen en tasques operacionals en escenaris causals específics. Ens centrem en escenaris simples que van més enllà dels de Bell, mentre busquem descobrir noves formes d'avantatge quàntic que són fonamentalment diferents de la no localitat de Bell tradicional. El nostre objectiu és vincular aquestes noves formes d'avantatge quàntic amb diferents propietats no clàssiques de la teoria quàntica i estudiar les seves aplicacions potencials. Un component crític d'aquesta investigació és provar la compatibilitat causal de correlacions específiques amb un model causal donat. Així doncs, una part important d'aquesta tesi està dedicada a expandir i refinar l'abast dels mètodes actuals per provar la compatibilitat causal. (Español) Entender las relaciones de causa y efecto detrás de las correlaciones observadas es central para nuestra forma de razonar e interactuar con el mundo. Las relaciones de causa y efecto nos ayudan a dar sentido a los patrones que observamos y predecir qué intervenciones en la naturaleza podrían llevar a un resultado deseado. Estos patrones pueden enmarcarse matemáticamente como la distribución de probabilidad conjunta de un conjunto de variables aleatorias clásicas que capturan información recogida del entorno. Esta información puede variar desde datos abstractos, como estadísticas de respuestas de encuestas, hasta eventos físicos, como la probabilidad de activar un fotodetector. Una pregunta fundamental es la de la compatibilidad causal: ¿Son las correlaciones observadas compatibles con una explicación causal dada? Una explicación causal puede expresarse en términos de modelos causales, los cuales pueden ser estudiados sistemáticamente con las herramientas proporcionadas por el campo de la inferencia causal. Los modelos causales consisten en variables aleatorias observables con distribuciones de probabilidad conocidas y variables latentes con distribuciones desconocidas que, juntas, explican las correlaciones observadas a través de influencias causales, es decir, relaciones funcionales entre los valores de estas variables. La teoría cuántica, una de las teorías más precisas a nivel fundamental, es inherentemente probabilística. Por lo tanto, los resultados de las mediciones se representan como variables aleatorias. Esto lleva naturalmente al análisis causal: ¿Qué relaciones de causa y efecto pueden explicar las resultados obtenidos en un experimento cuántico? Uno de los experimentos cuánticos más simples es aquel en el que dos laboratorios distantes realizan mediciones independientemente elegidas y espacialmente separadas sobre un estado cuántico compartido. En 1964, John Bell demostró que en este experimento la teoría cuántica predice correlaciones que desafían cualquier explicación clásica en terminos de causas comunes. Este resultado es conocido como el Teorema de Bell, y el fenómeno como no localidad de Bell. Esta tesis tiene como objetivo caracterizar operacionalmente las diferencias fundamentales entre las teorías clásicas y cuánticas dentro de escenarios causales más allá del escenario de causa común de Bell. Tal entendimiento eventualmente puede ayudar a integrar fenómenos cuánticos en un marco de causalidad coherente y conceptualmente claro. Hacia este objetivo, exploramos cómo los modelos causales clásicos y cuánticos divergen en tareas operacionales en escenarios causales específicos. Nos enfocamos en escenarios simples que van más allá de los de Bell, mientras buscamos descubrir nuevas formas de ventaja cuántica que son fundamentalmente diferentes de la no localidad de Bell tradicional. Nuestro objetivo es vincular estas nuevas formas de ventaja cuántica con diferentes propiedades no clásicas de la teoría cuántica y estudiar sus potenciales aplicaciones. Un componente crítico de esta investigación es probar la compatibilidad causal de correlaciones específicas con un modelo causal dado. Como tal, una parte importante de esta tesis está dedicada a expandir y refinar el alcance de los métodos actuales para probar la compatibilidad causal.
(English) Understanding the cause and effect relationships behind observed correlations is central to how we reason and interact with the world. Causal relationships help us make sense of the patterns we observe and predict what interventions in nature might lead to a desired outcome. These patterns can be mathematically framed as the joint probability distribution of a set of classical random variables which capture information gathered from the environment. This information may range from abstract data, like survey response statistics, to physical events, such as the probability of triggering a photon detector. A fundamental question is that of causal compatibility: Are the observed correlations compatible with a given causal explanation? A causal explanation can be expressed in terms of causal models, which can be systematically studied with the tools provided by the field of causal inference. Causal models consist of observable random variables with known probability distributions and latent variables with unknown distributions which, together, explain observed correlations through causal influences, that is, functional relationships between the values of these variables. Quantum theory---one of the most accurate theories at a fundamental level---is inherently probabilistic. Measurement results are, therefore, represented as random variables. This naturally leads to causal analysis: Which cause and effect relationships can explain observed measurement statistics in a quantum experiment? One of the simplest quantum experiments is that of two distant parties performing space-like separated, independently chosen measurements on a shared quantum state. In 1964, John Bell showed that in this experiment quantum theory predicts correlations that defy any classical common-cause explanation through a result known as Bell's Theorem. This phenomenon is known as Bell nonlocality. This thesis aims to operationally characterize the fundamental differences between classical and quantum theories within causal scenarios beyond Bell's common-cause scenario. Such an understanding may eventually help integrate quantum phenomena into a coherent, conceptually clear framework of causality. Towards this goal, we explore how classical and quantum causal models diverge in operational tasks in specific causal scenarios. We focus on simple scenarios that go beyond Bell's, while seeking to discover new forms of quantum advantage that are fundamentally different from traditional Bell nonlocality. Our goal is to link these new forms of quantum advantage to different nonclassical features of quantum theory and study their potential applications. A critical component of this research is testing for the causal compatibility of specific correlations with a given causal model. As such, an important part of this thesis is dedicated to expanding and refining the scope of current methods for testing causal compatibility. (Català) Entendre les relacions de causa i efecte darrere de les correlacions observades és central per a la nostra manera de raonar i interactuar amb el món. Les relacions de causa i efecte ens ajuden a donar sentit als patrons que observem i predir quines intervencions en la naturalesa podrien portar a un resultat desitjat. Aquests patrons es poden emmarcar matemàticament com la distribució de probabilitat conjunta d'un conjunt de variables aleatòries clàssiques que capturen informació recollida de l'entorn. Aquesta informació pot variar des de dades abstractes, com estadístiques de respostes d'enquestes, fins a esdeveniments físics, com la probabilitat d'activar un fotodetector. Una pregunta fonamental és la de la compatibilitat causal: Són les correlacions observades compatibles amb una explicació causal donada? Una explicació causal pot expressar-se en termes de models causals, els quals poden ser estudiats sistemàticament amb les eines proporcionades pel camp de la inferència causal. Els models causals consisteixen en variables aleatòries observables amb distribucions de probabilitat conegudes i variables latents amb distribucions desconegudes que, juntes, expliquen les correlacions observades a través d'influències causals, és a dir, relacions funcionals entre els valors d'aquestes variables. La teoria quàntica, una de les teories més precises a nivell fonamental, és inherentment probabilística. Per tant, els resultats de les mesures es representen com a variables aleatòries. Això porta naturalment a l'anàlisi causal: Quines relacions de causa i efecte poden explicar els resultats obtinguts en un experiment quàntic? Un dels experiments quàntics més simples és aquell en què dos laboratoris distants realitzen mesures triades independentment i separades espacialment sobre un estat quàntic compartit. El 1964, John Bell va demostrar que en aquest experiment la teoria quàntica prediu correlacions que desafien qualsevol explicació clàssica en termes de causes comunes. Aquest resultat és conegut com el Teorema de Bell, i el fenomen com no localitat de Bell. Aquesta tesi té com a objectiu caracteritzar operacionalment les diferències fonamentals entre les teories clàssiques i quàntiques dins d'escenaris causals més enllà de l'escenari de causa comuna de Bell. Aquest enteniment eventualment pot ajudar a integrar fenòmens quàntics en un marc de causalitat coherent i conceptualment clar. Per assolir aquest objectiu, explorem com els models causals clàssics i quàntics divergeixen en tasques operacionals en escenaris causals específics. Ens centrem en escenaris simples que van més enllà dels de Bell, mentre busquem descobrir noves formes d'avantatge quàntic que són fonamentalment diferents de la no localitat de Bell tradicional. El nostre objectiu és vincular aquestes noves formes d'avantatge quàntic amb diferents propietats no clàssiques de la teoria quàntica i estudiar les seves aplicacions potencials. Un component crític d'aquesta investigació és provar la compatibilitat causal de correlacions específiques amb un model causal donat. Així doncs, una part important d'aquesta tesi està dedicada a expandir i refinar l'abast dels mètodes actuals per provar la compatibilitat causal. (Español) Entender las relaciones de causa y efecto detrás de las correlaciones observadas es central para nuestra forma de razonar e interactuar con el mundo. Las relaciones de causa y efecto nos ayudan a dar sentido a los patrones que observamos y predecir qué intervenciones en la naturaleza podrían llevar a un resultado deseado. Estos patrones pueden enmarcarse matemáticamente como la distribución de probabilidad conjunta de un conjunto de variables aleatorias clásicas que capturan información recogida del entorno. Esta información puede variar desde datos abstractos, como estadísticas de respuestas de encuestas, hasta eventos físicos, como la probabilidad de activar un fotodetector. Una pregunta fundamental es la de la compatibilidad causal: ¿Son las correlaciones observadas compatibles con una explicación causal dada? Una explicación causal puede expresarse en términos de modelos causales, los cuales pueden ser estudiados sistemáticamente con las herramientas proporcionadas por el campo de la inferencia causal. Los modelos causales consisten en variables aleatorias observables con distribuciones de probabilidad conocidas y variables latentes con distribuciones desconocidas que, juntas, explican las correlaciones observadas a través de influencias causales, es decir, relaciones funcionales entre los valores de estas variables. La teoría cuántica, una de las teorías más precisas a nivel fundamental, es inherentemente probabilística. Por lo tanto, los resultados de las mediciones se representan como variables aleatorias. Esto lleva naturalmente al análisis causal: ¿Qué relaciones de causa y efecto pueden explicar las resultados obtenidos en un experimento cuántico? Uno de los experimentos cuánticos más simples es aquel en el que dos laboratorios distantes realizan mediciones independientemente elegidas y espacialmente separadas sobre un estado cuántico compartido. En 1964, John Bell demostró que en este experimento la teoría cuántica predice correlaciones que desafían cualquier explicación clásica en terminos de causas comunes. Este resultado es conocido como el Teorema de Bell, y el fenómeno como no localidad de Bell. Esta tesis tiene como objetivo caracterizar operacionalmente las diferencias fundamentales entre las teorías clásicas y cuánticas dentro de escenarios causales más allá del escenario de causa común de Bell. Tal entendimiento eventualmente puede ayudar a integrar fenómenos cuánticos en un marco de causalidad coherente y conceptualmente claro. Hacia este objetivo, exploramos cómo los modelos causales clásicos y cuánticos divergen en tareas operacionales en escenarios causales específicos. Nos enfocamos en escenarios simples que van más allá de los de Bell, mientras buscamos descubrir nuevas formas de ventaja cuántica que son fundamentalmente diferentes de la no localidad de Bell tradicional. Nuestro objetivo es vincular estas nuevas formas de ventaja cuántica con diferentes propiedades no clásicas de la teoría cuántica y estudiar sus potenciales aplicaciones. Un componente crítico de esta investigación es probar la compatibilidad causal de correlaciones específicas con un modelo causal dado. Como tal, una parte importante de esta tesis está dedicada a expandir y refinar el alcance de los métodos actuales para probar la compatibilidad causal.
The twentieth century was marked by two scientific revolutions. On the one hand, quantum mechanics questioned our understanding of nature and physics. On the other hand, came the realisation that information could be treated as a mathematical quantity. They together brought forward the age of information. A conceptual leap took place in the 1980's, that consisted in treating information in a quantum way as well. The idea that the intuitive notion of information could be governed by the counter-intuitive laws of quantum mechanics proved extremely fruitful, both from fundamental and applied points of view. The notion of randomness plays a central role in that respect. Indeed, the laws of quantum physics are probabilistic: that contrasts with thousands of years of physical theories that aimed to derive deterministic laws of nature. This, in turn, provides us with sources of random numbers, a crucial resource for information protocols. The fact that quantum theory only describes probabilistic behaviours was for some time regarded as a form of incompleteness. But nonlocality, in the sense of Bell, showed that this was not the case: the laws of quantum physics are inherently random, i.e., the randomness they imply cannot be traced back to a lack of knowledge. This observation has practical consequences: the outputs of a nonlocal physical process are necessarily unpredictable. Moreover, the random character of these outputs does not depend on the physical system, but only of its nonlocal character. For that reason, nonlocality-based randomness is certified in a device-independent manner. In this thesis, we quantify nonlocality-based randomness in various frameworks. In the first scenario, we quantify randomness without relying on the quantum formalism. We consider a nonlocal process and assume that it has a specific causal structure that is only due to how it evolves with time. We provide trade-offs between nonlocality and randomness for the various causal structures that we consider. Nonlocality-based randomness is usually defined in a theoretical framework. In the second scenario, we take a practical approach and ask how much randomness can be certified in a practical situation, where only partial information can be gained from an experiment. We describe a method to optimise how much randomness can be certified in such a situation. Trade-offs between nonlocality and randomness are usually studied in the bipartite case, as two agents is the minimal requirement to define nonlocality. In the third scenario, we quantify how much randomness can be certified for a tripartite process. Though nonlocality-based randomness is device-independent, the process from which randomness is certified is actually realised with a physical state. In the fourth scenario, we ask what physical requirements should be imposed on the physical state for maximal randomness to be certified, and more specifically, how entangled the underlying state should be. We show that maximal randomness can be certified from any level of entanglement. El siglo XX estuvo marcado por dos revoluciones científicas. Por un lado, la mecánica cuántica cuestionó nuestro entendimiento de la naturaleza y de la física. Por otro lado, quedó claro que la información podía ser tratada como un objeto matemático. Juntos, ambas revoluciones dieron inicio a la era de la información. Un salto conceptual ocurrió en los años 80: se descubrió que la información podía ser tratada de manera cuántica. La idea de que la noción intuitiva de información podía ser gobernada por las leyes contra intuitivas de la mecánica cuántica resultó extremadamente fructífera tanto desde un punto de vista teórico como práctico. El concepto de aleatoriedad desempeña un papel central en este respecto. En efecto, las leyes de la física cuántica son probabilistas, lo que contrasta con siglos de teorías físicas cuyo objetivo era elaborar leyes deterministas de la naturaleza. Además, esto constituye una fuente de números aleatorios, un recurso crucial para criptografía. El hecho de que la física cuántica solo describe comportamientos aleatorios fue a veces considerado como una forma de incompletitud en la teoría. Pero la no-localidad, en el sentido de Bell, probó que no era el caso: las leyes cuánticas son intrínsecamente probabilistas, es decir, el azar que contienen no puede ser atribuido a una falta de conocimiento. Esta observación tiene consecuencias prácticas: los datos procedentes de un proceso físico no-local son necesariamente impredecibles. Además, el carácter aleatorio de estos datos no depende del sistema físico, sino solo de su carácter no-local. Por esta razón, el azar basado en la no-localidad está certificado independientemente del dispositivo físico. En esta tesis, cuantificamos el azar basado en la no-localidad en varios escenarios. En el primero, no utilizamos el formalismo cuántico. Estudiamos un proceso no-local dotado de varias estructuras causales en relación con su evolución temporal, y calculamos las relaciones entre aleatoriedad y no-localidad para estas diferentes estructuras causales. El azar basado en la no-localidad suele ser definido en un marco teórico. En el segundo escenario, adoptamos un enfoque práctico, y examinamos la relación entre aleatoriedad y no-localidad en una situación real, donde solo tenemos una información parcial, procedente de un experimento, sobre el proceso. Proponemos un método para optimizar la aleatoriedad en este caso. Hasta ahora, las relaciones entre aleatoriedad y no-localidad han sido estudiadas en el caso bipartito, dado que dos agentes forman el requisito mínimo para definir el concepto de no-localidad. En el tercer escenario, estudiamos esta relación en el caso tripartito. Aunque el azar basado en la no-localidad no depende del dispositivo físico, el proceso que sirve para generar azar debe sin embargo ser implementado con un estado cuántico. En el cuarto escenario, preguntamos si hay que imponer requisitos sobre el estado para poder certificar una máxima aleatoriedad de los resultados. Mostramos que se puede obtener la cantidad máxima de aleatoriedad indiferentemente del nivel de entrelazamiento del estado cuántico.
This thesis focusses on the essential features of Quantum Theory that are systems in an entangled state and Bell nonlocal correlations. Here, we take the angle of a resource theory and are interested in understanding better how entanglement and nonlocality, first, relate to one another. Indeed, if entangled systems are necessary for the generation of nonlocal correlations, there nevertheless exist entangled systems that seem unable to do so. Quantitatively, it is also unclear whether "more" entanglement leads to "more" nonlocality and, related to that, which measures should be used as quantifiers. Second, entangled systems and nonlocal correlations have been identified as resources for information tasks with no classical equivalent such as the generation of true random numbers. It is then important to understand how the two quantum resources relate to other quantities generated in information tasks. First, we show that entangled quantum systems are unbounded resources for the generation of certified random numbers by making sequences of measurements on them. This certification is achieved through the successive near maximal violation of a particular Bell inequality for each measurement in the sequence. Moreover, even the simplest two-qubit systems in an almost separable (pure) state achieve this unbounded andomness certification. Second, we show that entanglement and nonlocality are seemingly put in a quantitative equivalence when using the nonlocal volume as measure. This measure is defined as the probability that a system in a given state generates nonlocal correlations when random measurements are performed on it. We prove that this measure satisfies natural properties for an operational measure of nonlocality. Then we show that, in all situations that we could explore, the most nonlocal state -- as measured by the nonlocal volume -- is always the maximally entangled state. Third, we consider multipartite scenarios in which quantum systems are distributed to numerous parties. Note that it is in general harder to generate a system that is entangled between many parties rather than more systems entangled between fewer parties. In that spirit, we develop a framework and tools for the study of correlation depth, i.e. the minimal size of the resource -- such as entangled systems -- that is needed for the (re)production of the correlations. Fourth, we study the equivalence between the multipartite notions of entanglement and of nonlocality. From an operational understanding of multipartite entanglement, we develop simple families of Bell inequalities that are very efficient for the detection of multipartite nonlocality of pure states. Last, we study the utility of multipartite quantum correlations for the design of information protocols. We also identify novel features characteristic of these correlations. The results of this thesis shed light on the interrelations in the triangle entanglementnonlocality- randomness in Quantum Theory. By going beyond the standard approaches -by considering sequences of measurements on the systems or by considering a novel measure of nonlocality- we obtain insight on the quantitative relations between these three essential quantities. Our study of the multipartite scenario also helps in characterising and identifying multipartite correlations in a simple way. Finally, we also deepened our understanding of how entangled systems and nonlocal correlations, in particular multipartite ones, serve as resources for the design of information tasks with no classical equivalent. La física cuántica es drásticamente distinta de su análogo clásico. Por ejemplo, en principio es posible conocer con certidumbre el resultado de cualquier proceso clásico, si uno tiene un conocimiento perfecto de las condiciones iniciales del proceso y sus interacciones. Sin embargo, la física cuántica es intrínsecamente aleatoria: incluso con un control perfecto, el resultado de un proceso cuántico es, en general, probabilístico. El rango de posibilidades en términos de procesamiento de información también cambia cuando se codifica información en el estado de sistemas cuánticos. El estudio de todas estas nuevas posibilidades es el objeto de la teoría de la información cuántica. Esta tesis se centra en dos fenómenos cuánticos responsables de parte del poder de la teoría de información cuántica: la existencia de sistemas físicos en estados entrelazados y de correlaciones de Bell no-locales. En primer lugar, y tomando el enfoque de una teoría de recursos, nuestro primer objetivo es comprender mejor cómo el entrelazamiento y la no-localidad se relacionan entre sí. De hecho, si bien es sabido que los sistemas entrelazados son necesarios para la generación de correlaciones no-locales, existen sin embargo sistemas entrelazados que parecen incapaces de hacerlo. Cuantitativamente, tampoco está claro si "más" entrelazamiento conduce a "más" no-localidad y qué medidas deben usarse como cuantificadores. En segundo lugar, los sistemas entrelazados y las correlaciones no-locales se han identificado como recursos para tareas de información sin ningún equivalente clásico, como por ejemplo la generación certificada de números aleatorios. Es por tanto importante comprender cómo los dos recursos cuánticos se relacionan con otras cantidades generadas en las tareas de información. El trabajo de la tesis, centrado alrededor de estas dos motivaciones, ha llevado a los resultados que se describen a continuación. Primero, mostramos que los sistemas cuánticos entrelazados son recursos ilimitados para la generación de números aleatorios certificados a través de secuencias de medidas. Esta certificación se logra mediante la sucesiva violación, casi máxima, de una desigualdad de Bell particular para cada medición en la secuencia. Además, incluso los sistemas de dos qubits más simples, en un estado puro casi separable, logran esta certificación de aleatoriedad ilimitada. En segundo lugar, mostramos que el entrelazamiento y la no-localidad se expresan, aparentemente, en una equivalencia cuantitativa cuando se utiliza el "volumen no-local" como cuantificador. El volumen no-local se define como la probabilidad de que un sistema en un estado dado genere correlaciones no-locales cuando se realizan mediciones aleatorias en él. Probamos que este cuantificador satisface las propiedades naturales de una medida operacional de no-localidad. Luego mostramos que, en todas las situaciones que podemos explorar, el estado más nolocal, medido por el volumen no-local, es siempre el más entrelazado. Finalmente, obtenemos varios resultados en escenarios multi-partitos en los que los sistemas cuánticos se distribuyen entre numerosos observadores. Desarrollamos un marco y herramientas para el estudio de la profundidad de correlación, es decir, el tamaño mínimo del recurso (por ejemplo, el entrelazamiento) que es necesario para la reproducción de las correlaciones. Además. estudiamos la equivalencia entre las nociones multi-partitas de entrelazamiento y de no-localidad, obteniendo familias sencillas de desigualdades de Bell que son muy eficientes para la detección de no-localidad multi-partita generada por sistemas en estados puros. Por último, estudiamos la utilidad de las correlaciones cuánticas multi-partitas para el diseño de protocolos de información. Los resultados de esta tesis arrojan luz sobre las interrelaciones en el triángulo entrelazamiento/no-localidad/aleatoriedad en la teoría cuántica. Al ir más allá de los enfoques estándar, al considerar secuencias de mediciones en los sistemas o al considerar una nueva medida de no-localidad, obtenemos información sobre las relaciones cuantitativas entre estas tres cantidades esenciales. Nuestro estudio del escenario multi-partito también ayuda a caracterizar e identificar las correlaciones multi-partitas de una manera simple. Finalmente, profundizamos nuestra comprensión de cómo los sistemas entrelazados y las correlaciones no-locales, en particular multi-partitas, sirven como recursos para el diseño de tareas de información sin análogo clásico.
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
Explaining observations in terms of cause-and-effect (causal) relations is central to empirical science. However, in his seminal 1964 work [1], John Bell showed that the correlations between entangled quantum systems cannot be explained in terms of, possibly hidden, cause and effect relations. After four decades of experimental effort, Bell's prediction has recently been confirmed in an unambiguous way by a series of loophole-free Bell-test experiments [2-4]. These experiments, however, cannot reveal where exactly quantum mechanics breaks with our classical notion of cause and effect. Specifically, Bell's theorem is based on the central assumptions of realism and local causality. Realism posits that physical systems have real, objective properties, independent of whether we observe them or not, and local causality assumes that causal influences cannot propagate faster than the speed of light.
Quantum mechanics has achieved unparalleled success as an operational theory, describing a wide range of experiments to remarkable accuracy. However, the physical foundations on which it rests remain as puzzling as they were a century ago, and a concise statement of the physical principles that underlie quantum mechanics is still outstanding. One promising approach holds that these principles should be formulated in terms of information, since many of the counter-intuitive effects in quantum theory concern questions such as what one can know about a quantum system and how the information encoded therein can be processed and distributed between parties. Another challenging feature of quantum theory is its incompatibility with the other cornerstone of modern physics, general relativity. In order to reconcile the two, one must identify and retain only the essential concepts and principles of each theory, and in the case of general relativity, causality has been identified as such a concept. This raises the question of how our classical understanding of causality must change when quantum theory is taken into account. In order to address these questions about information, knowledge and causality, I turn to the framework of causal models. In classical statistics, causal models explain the relations among a set of variables in terms of causal influences, which makes them a powerful tool for structuring our knowledge about complex systems and developing strategies for interacting with them. More importantly, the framework provides the conceptual underpinnings and mathematical methods for addressing questions about causation, information and knowledge in a rigorous manner. In this thesis, I develop a version of the classical causal models framework that is compatible with quantum theory and explore its physical implications. \n \n \nA first step is to define quantum versions of fundamental elements such as variables, conditionals and belief propagation rules. This allows one to consider the question of what one can come to know about a quantum variable from the point of view of causal modelling. The conditionals relating quantum variables are found to have a richer structure than their classical counterparts, which can be exploited for the task of discerning causal relations given limited data -- a central problem in classical causal modelling. The mathematical properties of quantum conditionals also establish a correspondence between various classes of two-party correlations, such as bound and distillable entanglement, and the types of causal structures that can give rise to them, which may become a useful tool for entanglement theory and quantum information processing. In the context of open quantum systems dynamics, quantum causal models provide a clear physical explanation of not completely positive maps and, more broadly, of non-Markovian quantum dynamics. Finally, I consider the possibility of non-classical effects in the way that different causal mechanisms are combined -- that is, non-classical causal structures. For the simple case of two causally ordered variables, I propose indicators that witness different classes of combinations of causal mechanisms, including a non-classical mixture, and describe an experiment realizing examples of the different classes. \n \n \nAs these results illustrate, the framework of quantum causal models provides both greater conceptual clarity and a comprehensive mathematical formalism for studying a diverse set of problems, ranging from foundational questions to applications in open systems dynamics and the exploration of non-classical causal structures, which are likely to feature in a future theory of quantum gravity. The material presented in this thesis is intended as a foundation and inspiration for further applications of quantum causal models.
(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