(English) The advent of quantum mechanics, which predicted strange, counter-intuitive effects and phenomena, that could not be mimicked by classical physical theories, revolutionized the scope and understanding of physics research back in the XIX century. As time passed, and quantum theory became better understood, a shift of paradigm occurred: what used to be solely an object of investigation and analysis became also a tool, as it was realized that the extraordinary, exotic features of systems working in the quantum regime could also be harnessed as resources that could be used to our benefit in different tasks. This shift of paradigm marked the beginning of a Second Quantum Revolution, which was characterized by the rise of the Quantum Information Science and Technologies. Central quantum resources such as quantum correlations, including entanglement, and also non-classicality and non-Gaussianity, were shown to be useful for data processing tasks such as communication, computation and parameter estimation, to name a few. In this thesis, we dive into the field of parameter estimation, or Metrology, and discuss the role of physical correations on the precision of the information retrieval of variables encoded in physical systems. We begin by exploring the role of a specific kind of correlations, those that arise indirectly between quantum probes via the interaction with a common environment, in the retrieval of temperature information of a cold bosonic bath. We then analyse the role of restricting the measurement choice of the probes to a limited set, that of Gaussian measurements, and show their usefulness in characterizing the temperature of Gaussian systems. Finally, we go beyond the scope of the field of Metrology and Thermometry, and look for effective ways to certify the presence of a number of relevant quantum resources in states produced by third order light-matter interaction, also known as three photon generation. There, we show that correctly tailored quantum witnesses can effectively certify the presence of quantum phenomena with no classical analog in photonic nonlinear processes. (Català) L'arribada de la mecànica quàntica, que va predir efectes i fenòmens estranys i contraintuïtius, que no podien ser imitats per les teories físiques clàssiques, va revolucionar l'abast i la comprensió de la investigació física al segle XIX. A mesura que passava el temps i la teoria quàntica es va entendre millor, es va produir un canvi de paradigma: el que abans era només un objecte d'investigació i anàlisi es va convertir també en una eina, ja que es va adonar que les característiques extraordinàries i exòtiques dels sistemes que treballaven en règim quàntic també es podrien aprofitar com a recursos que es podrien utilitzar en el nostre benefici en diferents tasques. Aquest canvi de paradigma va marcar l'inici d'una segona revolució quàntica, que es va caracteritzar per l'auge de la ciència i les tecnologies de la informació quàntica. Els recursos quàntics centrals, com ara les correlacions quàntiques, inclòs l'entrellat, i també la no-classicitat i la no gaussianitat, van demostrar ser útils per a tasques de processament de dades com la comunicació, la computació i l'estimació de paràmetres, per citar-ne algunes. En aquesta tesi, ens submergim en el camp de l'estimació de paràmetres, o Metrologia, i discutim el paper de les correccions físiques en la precisió de la recuperació d'informació de variables codificades en sistemes físics. Comencem explorant el paper d'un tipus específic de correlacions, les que sorgeixen indirectament entre sondes quàntiques mitjançant la interacció amb un entorn comú, en la recuperació d'informació de temperatura d'un bany bosònic fred. A continuació, analitzem el paper de restringir l'elecció de mesura de les sondes a un conjunt limitat, el de mesures gaussianes, i mostrem la seva utilitat per caracteritzar la temperatura dels sistemes gaussians. Finalment, anem més enllà de l'àmbit de la metrologia i la termometria, i busquem maneres efectives de certificar la presència d'una sèrie de recursos quàntics rellevants en estats produïts per la interacció llum-matèria de tercer ordre, també coneguda com a generació de tres fotons. Allà, mostrem que els testimonis quàntics adaptats correctament poden certificar eficaçment la presència de fenòmens quàntics sense anàlegs clàssics en processos fotònics no lineals. (Español) La llegada de la mecánica cuántica, que predijo efectos y fenómenos raros y contrarios a la intuición que no podían ser imitados por las teorías físicas clásicas, revolucionó el alcance y la comprensión de la investigación en física cuando se descubrieron sus primeras huellas en el siglo XIX. Con el paso del tiempo, y a medida que la teoría cuántica se fue comprendiendo mejor, ocurrió un cambio de paradigma: lo que solía ser únicamente un objeto de investigación y análisis se convirtió también en una herramienta, al darse cuenta de que las características extraordinarias y exóticas de los sistemas que funcionan en el régimen cuántico también podrían aprovecharse como recursos que pueden beneficiarnos en diferentes protocolos. Este cambio de paradigma marcó el comienzo de una Segunda Revolución Cuántica, caracterizada por el surgimiento del campo de investigación de la Teoría de la Información Cuántica. Se demostró que recursos cuánticos centrales como las correlaciones cuánticas, incluido el entrelazamiento, y también la no clasicidad y la no gaussianidad, resultaban útiles para tareas de procesamiento de datos como la comunicación, la computación y la estimación de parámetros, por nombrar algunas. En esta tesis, nos adentramos en el campo de la estimación de parámetros, o Metrología, y discutimos el papel de las correlaciones físicas en la precisión de la recuperación de información de variables codificadas en sistemas físicos. Comenzamos explorando el papel metrológico de un tipo específico de correlaciones, aquellas que surgen indirectamente entre sondas cuánticas a través de la interacción con un entorno común, en la recuperación de información de temperatura de un "bosonic bath" frío. Luego analizamos el papel de restringir la elección de medición de las sondas a un conjunto limitado, el de las mediciones gaussianas, y mostramos su utilidad para caracterizar la temperatura de los sistemas gaussianos. Finalmente, vamos más allá del ámbito de la Metrología y la Termometría y buscamos formas efectivas de certificar la presencia de una serie de recursos cuánticos relevantes en estados producidos por la interacción luz-materia de tercer orden, también conocida como generación de tres fotones.Allí, mostramos que los testigos cuánticos correctamente adaptados pueden certificar eficazmente la presencia de un entrelazamiento multipartito genuino en la generación de tripletes no degenerados, y de una serie de recursos cuánticos monomodo en la versión degenerada del proceso.
(English) The advent of quantum mechanics, which predicted strange, counter-intuitive effects and phenomena, that could not be mimicked by classical physical theories, revolutionized the scope and understanding of physics research back in the XIX century. As time passed, and quantum theory became better understood, a shift of paradigm occurred: what used to be solely an object of investigation and analysis became also a tool, as it was realized that the extraordinary, exotic features of systems working in the quantum regime could also be harnessed as resources that could be used to our benefit in different tasks. This shift of paradigm marked the beginning of a Second Quantum Revolution, which was characterized by the rise of the Quantum Information Science and Technologies. Central quantum resources such as quantum correlations, including entanglement, and also non-classicality and non-Gaussianity, were shown to be useful for data processing tasks such as communication, computation and parameter estimation, to name a few. In this thesis, we dive into the field of parameter estimation, or Metrology, and discuss the role of physical correations on the precision of the information retrieval of variables encoded in physical systems. We begin by exploring the role of a specific kind of correlations, those that arise indirectly between quantum probes via the interaction with a common environment, in the retrieval of temperature information of a cold bosonic bath. We then analyse the role of restricting the measurement choice of the probes to a limited set, that of Gaussian measurements, and show their usefulness in characterizing the temperature of Gaussian systems. Finally, we go beyond the scope of the field of Metrology and Thermometry, and look for effective ways to certify the presence of a number of relevant quantum resources in states produced by third order light-matter interaction, also known as three photon generation. There, we show that correctly tailored quantum witnesses can effectively certify the presence of quantum phenomena with no classical analog in photonic nonlinear processes. (Català) L'arribada de la mecànica quàntica, que va predir efectes i fenòmens estranys i contraintuïtius, que no podien ser imitats per les teories físiques clàssiques, va revolucionar l'abast i la comprensió de la investigació física al segle XIX. A mesura que passava el temps i la teoria quàntica es va entendre millor, es va produir un canvi de paradigma: el que abans era només un objecte d'investigació i anàlisi es va convertir també en una eina, ja que es va adonar que les característiques extraordinàries i exòtiques dels sistemes que treballaven en règim quàntic també es podrien aprofitar com a recursos que es podrien utilitzar en el nostre benefici en diferents tasques. Aquest canvi de paradigma va marcar l'inici d'una segona revolució quàntica, que es va caracteritzar per l'auge de la ciència i les tecnologies de la informació quàntica. Els recursos quàntics centrals, com ara les correlacions quàntiques, inclòs l'entrellat, i també la no-classicitat i la no gaussianitat, van demostrar ser útils per a tasques de processament de dades com la comunicació, la computació i l'estimació de paràmetres, per citar-ne algunes. En aquesta tesi, ens submergim en el camp de l'estimació de paràmetres, o Metrologia, i discutim el paper de les correccions físiques en la precisió de la recuperació d'informació de variables codificades en sistemes físics. Comencem explorant el paper d'un tipus específic de correlacions, les que sorgeixen indirectament entre sondes quàntiques mitjançant la interacció amb un entorn comú, en la recuperació d'informació de temperatura d'un bany bosònic fred. A continuació, analitzem el paper de restringir l'elecció de mesura de les sondes a un conjunt limitat, el de mesures gaussianes, i mostrem la seva utilitat per caracteritzar la temperatura dels sistemes gaussians. Finalment, anem més enllà de l'àmbit de la metrologia i la termometria, i busquem maneres efectives de certificar la presència d'una sèrie de recursos quàntics rellevants en estats produïts per la interacció llum-matèria de tercer ordre, també coneguda com a generació de tres fotons. Allà, mostrem que els testimonis quàntics adaptats correctament poden certificar eficaçment la presència de fenòmens quàntics sense anàlegs clàssics en processos fotònics no lineals. (Español) La llegada de la mecánica cuántica, que predijo efectos y fenómenos raros y contrarios a la intuición que no podían ser imitados por las teorías físicas clásicas, revolucionó el alcance y la comprensión de la investigación en física cuando se descubrieron sus primeras huellas en el siglo XIX. Con el paso del tiempo, y a medida que la teoría cuántica se fue comprendiendo mejor, ocurrió un cambio de paradigma: lo que solía ser únicamente un objeto de investigación y análisis se convirtió también en una herramienta, al darse cuenta de que las características extraordinarias y exóticas de los sistemas que funcionan en el régimen cuántico también podrían aprovecharse como recursos que pueden beneficiarnos en diferentes protocolos. Este cambio de paradigma marcó el comienzo de una Segunda Revolución Cuántica, caracterizada por el surgimiento del campo de investigación de la Teoría de la Información Cuántica. Se demostró que recursos cuánticos centrales como las correlaciones cuánticas, incluido el entrelazamiento, y también la no clasicidad y la no gaussianidad, resultaban útiles para tareas de procesamiento de datos como la comunicación, la computación y la estimación de parámetros, por nombrar algunas. En esta tesis, nos adentramos en el campo de la estimación de parámetros, o Metrología, y discutimos el papel de las correlaciones físicas en la precisión de la recuperación de información de variables codificadas en sistemas físicos. Comenzamos explorando el papel metrológico de un tipo específico de correlaciones, aquellas que surgen indirectamente entre sondas cuánticas a través de la interacción con un entorno común, en la recuperación de información de temperatura de un "bosonic bath" frío. Luego analizamos el papel de restringir la elección de medición de las sondas a un conjunto limitado, el de las mediciones gaussianas, y mostramos su utilidad para caracterizar la temperatura de los sistemas gaussianos. Finalmente, vamos más allá del ámbito de la Metrología y la Termometría y buscamos formas efectivas de certificar la presencia de una serie de recursos cuánticos relevantes en estados producidos por la interacción luz-materia de tercer orden, también conocida como generación de tres fotones.Allí, mostramos que los testigos cuánticos correctamente adaptados pueden certificar eficazmente la presencia de un entrelazamiento multipartito genuino en la generación de tripletes no degenerados, y de una serie de recursos cuánticos monomodo en la versión degenerada del proceso.
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.
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) Photons and Information are notions indispensable for modern quantum technologies, and their interplay provides the foundation of understanding the quantum nature of light. In particular, photons are robust information carrier and substantiate the inherent discreteness of the electromagnetic radiation field. The information of photons, and their intrinsic quantum fluctuations, are manifested in the measurement of correlation functions of the field. Central to the understanding of photon fluctuations is the quantum theory of optical coherence, and the photon signature can reveal itself in different properties. Furthermore, the measurement of correlations is needed from an information theoretic perspective to distinguish classical from quantum signatures. These concepts ultimately lead to the original goal of the present Thesis: How can we understand the notion of photons and information in a modern strong field quantum optics perspective? Strong field quantum optics aims for the generation, characterization and the control of quantum light, beyond the conventional wisdom of strong field physics. In the traditional approach to strong field phenomena, in particular the photon up-conversion process of high-order harmonic generation, the field was merely treated classically. And hence, the notion of the photon could not exist in such descriptions. However, recent advances in the field of strong field quantum optics have revealed new signatures unaccountable by classical theory. This includes the generation of genuine non-classical states of light from strong field phenomena, revealing the intrinsic entanglement between all field modes in the process of high-order harmonic generation, or finding quantum signatures in the photon emission process itself via photon anti-bunching. In this Thesis, we reveal all such properties of the generated light field, and establish the underlying theories for the description of these phenomena. This includes the development of the quantum theory of optical coherence for high-order harmonic generation, as well as introducing new quantum information theoretic perspectives to strong field quantum optics. Therefore, the work presented in this Thesis provides the foundation for the modern formulation of quantum optical phenomena in strong field physics. (Català) Els fotons i la informació són nocions indispensables per a les tecnologies quàntiques modernes, i la seva interacció proporciona la base per entendre la naturalesa quàntica de la llum. En particular, els fotons són portadors d'informació robustos i fonamenten la discretització inherent del camp de radiació electromagnètica. La informació dels fotons, i les seves fluctuacions quàntiques intrínseques, es manifesten en la mesura de les funcions de correlació del camp. La teoria quàntica de la coherència òptica és fonamental per entendre les fluctuacions dels fotons, i la signatura dels fotons es pot revelar en diferents propietats. A més, la mesura de correlacions és necessària des d'una perspectiva teòrica de la informació per distingir les signatures clàssiques de les quàntiques. Aquests conceptes condueixen finalment a l'objectiu original de la present Tesi: Com podem entendre la noció de fotons i informació des d'una perspectiva moderna de l'òptica quàntica de camps forts? L'òptica quàntica de camps forts té com a objectiu la generació, la caracterització i el control de la llum quàntica, més enllà del coneixement convencional de la física de camps forts. En l'enfocament tradicional dels fenòmens de camps forts, en particular el procés de conversió ascendent de fotons de la generació d'harmònics d'alt ordre, el camp es tractava merament de manera clàssica. I, per tant, la noció de fotó no podia existir en aquestes descripcions. No obstant això, els avenços recents en el camp de l'òptica quàntica de camps forts han revelat noves signatures inexplicables amb la teoria clàssica. Això inclou la generació d'estats de llum genuïnament no clàssics a partir de fenòmens de camps forts, revelant l'entrellaçament intrínsec entre tots els modes de camp en el procés de generació d'harmònics d'alt ordre, o la troballa de signatures quàntiques en el mateix procés d'emissió de fotons mitjançant l'antigrupament de fotons. En aquesta tesi, revelem totes aquestes propietats del camp de llum generat i establim les teories subjacents per a la descripció d'aquests fenòmens. Això inclou el desenvolupament de la teoria quàntica de la coherència òptica per a la generació d'harmònics d'alt ordre, així com la introducció de noves perspectives de teoria de la informació quàntica a l'òptica quàntica de camps forts. Per tant, el treball presentat en aquesta tesi proporciona la base per a la formulació moderna dels fenòmens òptics quàntics en la física de camps forts. (Español) Los fotones y la información son conceptos indispensables para las tecnologías cuánticas modernas, y su mutua influencia proporciona la base para comprender la naturaleza cuántica de la luz. En particular, los fotones son portadores de información robustos y justifican la discreción inherente al campo electromagnética. La información de los fotones y sus fluctuaciones cuánticas intrínsecas se manifiestan en la medición de las funciones de correlación del campo. La teoría cuántica de la coherencia óptica es fundamental para comprender las fluctuaciones de los fotones, y la huella de los fotones puede manifestarse en diferentes propiedades. Además, la medición de las correlaciones es necesaria desde una perspectiva de la teoría de la información para distinguir entre firmas clásicas de las cuánticas. Estos conceptos conducen en última instancia al objetivo original de la presente tesis: ¿Cómo podemos entender el concepto de fotones e información desde la perspectiva moderna de la óptica cuántica de campos intensos? La óptica cuántica de campos intensos tiene como objetivo la generación, caracterización y control de la luz cuántica, más allá de los conocimientos convencionales de su análisis semiclásico. En el enfoque tradicional de los fenómenos de campo intenso, en concreto el proceso de el proceso de generación de fotones en armónicos de alto orden, el campo se trataba simplemente de forma clásica. En consequencia, la noción de fotón no podía existir en tales descripciones. Sin embargo, avances recientes en el campo de la óptica cuántica de campo fuerte han revelado nuevas características que no pueden explicarse mediante la teoría clásica. Entre ellas se incluyen la generación de estados de luz genuinamente no clásicos a partir de fenómenos de campo intenso, la evidencia del entrelazamiento intrínseco entre todos los modos del campo en el proceso de generación de armónicos de alto orden, o el hallazgo de características cuánticas en el propio proceso de emisión de fotones mediante antiagrupamiento. En esta tesis, revelamos todas estas propiedades del campo de luz generado y establecemos las teorías subyacentes para describir de estos fenómenos. Esto incluye el desarrollo de la teoría cuántica de la coherencia óptica para la generación de armónicos de alto orden, así como la introducción de nuevas perspectivas de la teoría de la información cuántica en la óptica cuántica de campos fuertes. Por lo tanto, el trabajo presentado en esta tesis proporciona la base para la formulación moderna de los fenómenos óptico cuánticos en la física de campos intensos.
(English) In this thesis, we study the optimization of operational tasks that involve the manipulation of quantum resources. In most cases, such optimizations are aided by understanding the geometric properties of the physical objects involved. We split our results in a first part concerning Thermodynamics, and a second part concerning Information Theory. In the context of Thermodynamics, we first study the optimization of thermal machines. That is, we look for those periodic control protocols, performed on a quantum working fluid, that maximize figures of merit based on power and efficiency. By making small assumptions on the dynamical regimes (of low-dissipation/slow-driving, or fast-driving), we are able to construct and characterize optimal protocols that are valid for large classes of quantum (and classical) thermal machines. Secondly, we study how to design quantum thermal probes that optimize the precision in temperature estimation when put in contact with a thermal bath. The resulting optimal configurations are simple and physically feasible, and show an Heisenberg-like scaling of the optimal sensitivity. In the context of Information Theory, initially we study how to characterize memory effects (information backflows) in the dynamics of open quantum systems, how to detect them and operationally exploit them. Furthermore, in the subfield of Nonlocality, we study relaxations and generalisation of the canonical Bell scenario, which allow us to bring the realization of nonlocal experiments closer to simple, table-top quantum optics. In particular, by considering nonlocality in quantum networks, we are able to design an experiment which only involves simple passive optics and single-photon entangled states, in which it is possible to certify nonlocality without measurement inputs. Likewise, a different relaxation consists in allowing trusted quantum inputs in a Bell experiment. This permits certifying nonlocality of any entangled state, without trusting the measurement device. We study this measurement-device-independent framework to design simple protocols of entanglement detection for continuous-variable states. The results of the thesis are relevant both from the theoretical point of view and for the efficient realisation of the operational tasks analysed. (Español) En esta tesis, estudiamos la optimización de tareas operacionales que involucran manipulación de recursos cuánticos. En la mayoría de los casos, dichas optimizaciones pueden simplificarse al tener en cuenta las propriedades geométricas de los objetos físicos involucrados. Dividimos nuestros resultados en una primera parte que concierne a la Termodinámica, y una segunda parte que concierne a la Teoría de la Información. En el contexto de la Termodinámica, estudiamos en primer lugar la optimización the máquinas térmicas. Es decir, buscamos protocolos de control perdiódico, efectuados con fluidos de trabajo cuánticos, que maximizen cantidades de interés basadas en la potencia y la eficiencia. Realizando pequeñas suposiciones relativas al régimen dinámico, por ejemplo de manipulación lenta o rápida (slow-driving, fast-driving), logramos construir y caracterizar protocolos óptimos válidos para una amplia gama de máquinas térmicas cuánticas (y clásicas). En segundo lugar, estudiamos como diseñar sondas térmicas que optimizen la precisión en la estimación de la temperatura, cuando son puestas en contacto con un baño térmico. Las configuraciones óptimas resultantes son sencillas y realizables físicamente, y muestran un crecimiento escalado de la sensibilidad óptima de tipo Heisenberg. En el contexto de Teoría de la Información, inicialmente estudiamos cómo caracterizar los efectos de memoria (reflujos de información) en la dinámica de sistemas cuánticos abiertos, cómo detectarlos y explotarlos operacionalmente. Además, en el campo de la no-localidad, estudiamos relajamientos y generalizaciones del escenario canónico de Bell, que nos permiten acercarnos a la realización de experimentos de no-localidad con esquemas sencillos de óptica cuántica. En particular, considerando escenarios de nonlocalidad en redes cuánticas, logramos diseñar un experimento que requiere solamente elementos de óptica pasiva y estados entrelazados de fotones individuales, en el que es posible certificar no-localidad sin utilizar inputs aleatorios en las medidas. Asimismo, una generalización diferente consiste en permitir inputs cuánticos de confianza en un experimento de Bell. Esto permite certificar la no-localidad de todos los estados entrelazados, sin necesidad de confiar en el aparato de medida. Estudiamos este marco independiente del aparato de medida (measurement-device-independent) para diseñar protocolos sencillos de detección de entrelazamiento cuántico, empleando estados de variable continua. Los resultados de la tesis son relevantes tanto desde el punto de vista teórico, así como para la realización eficiente de las tareas operacionales analizadas.
(English) The dawn of the last century marked the onset of the first quantum revolution, a period characterized by groundbreaking discoveries culminating in the establishment of quantum mechanics. Over time, the abstract concepts introduced by this new branch of Physics, evolved into indispensable practical devices shaping our daily lives. This technological evolution spurred our actual era, centered around information exchange and acquisition, laying the foundation for what is now termed the second quantum revolution. This phase aims to leverage quantum information science, which harnesses quantum mechanics' properties to propel advancements in information processing, communication, and computation, leading to revolutionary quantum technologies. At the heart of advancing quantum technologies lies the exploration of what are known as non-classical states --physical manifestations exhibiting behaviors diverging from classical physics, necessitating the framework of quantum mechanics for explanation. Manipulating and generating these states delineates the frontier of progress in quantum technology. Therefore, it is crucial to devise methodologies for generating and controlling non-classical states. Photonics emerges as a promising platform within this context due to its robustness and exceptional manageability of this kind of states. For the above reasons, this Thesis adopts a dual focus. Firstly, we delve into the generation of non-classical states of light through strong-field processes. These processes entail interactions between light and matter, where light intensities contend with the binding forces that keep electrons bound to their respective nuclei. Our exploration demonstrates the utility of strong-field phenomena in generating non-classical states of light, exhibiting intriguing features dependent on specific process dynamics and the materials involved in excitation. Secondly, we investigate the constraints and prerequisites of non-classical states of light sources --beyond those derived from the aforementioned strong-field processes-- for the advancement of quantum communication. In particular, we analyze quantum key distribution, aiming to create a secret key exclusively known by the communicating parties for encrypting and decrypting messages. Therefore, this Thesis can be understood as a zeroth step towards leveraging strong-field physics as a prospective tool for quantum information science applications, as well as an exploration about the advances and limitations of photonic-based setups for quantum key distribution. (Català) El començament del segle passat va ser el punt de partida de la primera revolució quàntica, un període caracteritzat per descobriments innovadors que van culminar amb l'establiment de la mecànica quàntica. Amb el pas del temps, aquests conceptes abstractes introduïts en aquesta nova branca de la física, van evolucionar cap a dispositius que s'han convertit en indispensables en el nostre dia a dia. Aquesta evolució tecnològica ha impulsat l'era en la qual vivim, centrada en l'intercanvi i l'adquisició d'informació, cimentant l'actual segona revolució quàntica. El seu objectiu és aprofitar la ciència de la informació quàntica, que utilitza les propietats de la mecànica quàntica per impulsar avanços en el processament de la informació, la comunicació i la computació, donant lloc a tecnologies quàntiques revolucionàries. Per l'avanç de les tecnologies quàntiques és primordial l'exploració dels ano-menats estats no clàssics, és a dir, manifestacions físiques que mostren comportaments diferents als predits per la física clàssica, i que requereixen la mecànica quàntica per a la seva explicació. La manipulació i generació d'aquests estats limita les capacitats de progrés de les tecnologies quàntiques. És, per tant, fonamental idear metodologies que tinguin com a objectiu generar i controlar estats no clàssics. En aquest context, el camp de la fotònica emergeix com una plataforma prometedora per la seva robustesa i excepcional maneig d'aquest tipus d'estats. En base als motius explicats anteriorment, aquesta Tesi adopta un enfocament dual. En primer lloc, ens endinsem en la generació d'estats no clàssics de la llum mitjançant processos que involucren camps intensos. Aquests processos involucren interaccions entre la llum i la matèria amb intensitats lluminoses capaces de competir amb les forces atòmiques que mantenen els electrons units als seus nuclis. El nostre anàlisi demostra la utilitat que aquests processos de camps intensos tenen sobre la generació d'estats no clàssics de la llum, els quals mostren característiques d'interès depenent dels processos particulars que tinguin lloc, així com de les característiques del material involucrat en l'excitació. En segon lloc, investiguem les limitacions i requisits de les fonts de llum generadores d'estats no clàssics, més enllà de les derivades de l'anàlisi de camps intensos, amb respecte als seus possibles avanços en el camp de la comunicació quàntica. En particular, analitzem la distribució quàntica de claus, amb l'objectiu de generar una clau secreta coneguda exclusivament per les parts comunicants per tal d'encriptar i desencriptar missatges. Així doncs, aquesta Tesi es pot entendre com un pas inicial per aprofitar la física de camps intensos com una eina potencial per a la ciència de la informació quàntica, així com una exploració sobre els avanços i limitacions de sistemes basats en la fotònica per a la criptografia quàntica. (Español) El comienzo del siglo pasado vio el inicio de la primera revolución cuántica, un periodo caracterizado por descubrimientos innovadores que culminaron en el establecimiento de la mecánica cuántica. Con el transcurso del tiempo, los conceptos abstractos introducidos en esta nueva rama de la Física, evolucionaron en dispositivos que se han tornado indispensables en nuestros quehaceres diarios. Esta evolución tecnológica ha impulsado la era en la que vivimos, centrada en el intercambio y la adquisición de información, sentando las bases de lo que ahora se denomina como la segunda revolución cúantica. El objetivo de ésta es la de aprovechar la ciencia de la información cuántica, que emplea las propiedades de la mecánica cuántica para impulsar avances en el procesamiento de información, la comunicación y la computación, dando lugar a tecnologías cuánticas revolucionarias. Troncal al avance de las tecnologías cuánticas, se encuentra la exploración de los denominados estados no clásicos, esto es, manifestaciones físicas que exhiben comportamientos diferentes a los predichos por la física clásica, y que requieren del marco de la mecánica cuántica para su explicación. La manipulación y generación de estos estados limita las capacidades de progreso de las tecnologías cuánticas. Es, por lo tanto, fundamental el idear metodologías cuyo fin sea el de generar y controlar estados no clásicos. En este contexto, el campo de la fotónica emerge como una plataforma prometedora debido a su robustez y excepcional manejo de los susodichos. Por estos motivos, esta Tesis adopta un foco dual. En primer lugar, nos adentramos en la generación de estados no clásicos de la luz por medio de procesos que involucran campos intensos. Este tipo de procesos conciernen interacciones entre luz y materia que involucran intensidades lumínicas capaces de competir con las fuerzas atómicas que mantienen los electrones unidos a sus núcleos. Nuestro análisis demuestra la utilidad que estos procesos de campos intensos tienen sobre la generación de estados no clásicos de la luz, los cuales exhiben características de interés dependiendo de las procesos particulares que tengan lugar, así como de las características del material involucrado en la excitación. En segundo lugar, investigamos las limitaciones y requisitos de las fuentes de luz generadoras de estados no clásicos, más allá de aquellas derivadas en el análisis de campos intensos, con respecto a sus posibles avances en el campo de la comunicación cuántica. En particular, analizamos la distribución cuántica de claves, cuyo objetivo es el de generar una clave secreta conocida exclusivamente por las partes comunicantes para encriptar y desencriptar mensajes. Por lo tanto, esta Tesis puede entenderse como un paso inicial para aprovechar la física de campos intensos como una herramienta potencial para la ciencia de la información cuántica, así como una exploración sobre los avances y limitaciones de sistemas basados en la fotónica para la distribución cuántica de claves.
Quantum mechanics has profoundly reshaped our knowledge of the physical world: a deep comprehension of the quantum nature of matter yielded to the so-called first quantum revolution, enabling transformative technologies ranging from lasers to semiconductor de- vices, being at the heart of the digital revolution characterizing the second half of the XXth century. Furthermore, the capability of manipulating and controlling individual quantum systems enabled a totally different working paradigm, obeying the logic im- posed by quantum physics, paving the way, at the end of the XXth and the beginning of the XXIst century, for the second quantum revolution. Modern quantum technologies, including quantum computation, quantum simulation, quantum metrology and quantum communication rely on peculiar quantum phenomena, such as superposition, entangle- ment and coherence to perform tasks beyond classical capabilities. This thesis proposes quantum metrology as a unifying conceptual and methodological framework to investigate problems lying at the intersection of fundamental quantum physics and quantum information science. More in detail, it addresses theoretical and experimental protocols to certify the presence of quantum correlations (namely, quantum steering), as well as to design secure sensing in quantum networks under realistic assump- tions. Moreover, it also suggest how tunable-strength measurement-based strategies can be used to extract information from complex systems even in seemingly inaccessible sce- narios. Overall, this thesis proposes quantum metrology as a framework through which the purest nature of information can be probed, certified and secured at the most fundamental level.