Device-independent certification of quantum resources

Premi extraordinari doctorat UPC curs 2017-2018. Àmbit de CiènciesThe last two decades have been a very fruitful period for the fundamental research related to quantum information theory. Today we have a fairly good understanding of how intrinsically quantum properties affect various computational and cryptographic tasks. Practical implementations are advancing as well. Devices performing quantum key distribution or quantum random number generation are already commercially available. As time goes more resources are being invested in building a device which would demonstrate and exploit quantum computational supremacy. In the context of the impending second quantum revolution it is of crucial importance to build new certification tools, improve the existing ones and understand their limits. When assessing the non-classicality of a given device it is essential to estimate which assumptions about the device are not jeopardizing the certification procedure. Device-independent scenario does not make any assumptions about the inner functioning of devices, but usually only assumes the correctness of quantum theory. It gained a lot of attention because it manages to certify the quantum character of certain devices while giving to potential adversaries all power allowed by the laws of physics. Device-independent certification of various quantum resources is the main subject of the thesis.In the first part of the thesis we focus on self-testing, one of the simplest device-independent protocols. It aims to recover quantum states solely from the observed measurement correlations. It has a fundamental importance for the device-independent paradigm because it shows which quantum states can leave a device-independent 'imprint'. Practically, it bears a significance as a possible first step in more complex protocols such as blind quantum computing, randomness generation or quantum key distribution. In this thesis we present several new self-testing results. Firstly, we provide a proof that chained Bell inequalities can be used to robustly self-test maximally entangled pair of qubits and an arbitrary number of real measurements. As a side result we also present a protocol for randomness generation based on the maximal violation of a chained Bell inequality. Secondly, we provide new self-testing protocols for several classes of multipartite quantum states: Dicke states, graph states and all states of arbitrary finite dimension admitting the Schmidt decomposition. Finally, we extend self-testing to the semi-device-independent scenario and explore its properties.In the second part we move to the certification of several quantum resources and protocols. While the device-independent scenario offers the utmost security, it has a few undesirable properties. Firstly, it is very difficult to implement. In some cases, depending on the scenario, stronger assumptions about the functioning of the devices can be made. Secondly, the scenario relies on the observation of nonlocal measurement correlations, which makes some classes of entangled states useless for device-independent protocols. We address the first difficulty by presenting quantification of entanglement and randomness in quantum networks in the measurement-device-independent scenario, in which parties are assumed to have characterized preparation devices. In this scenario all entangled states can be detected. To address the second issue, we merge measurement-device-independent entanglement detection with self-testing and present the first protocol for a completely device-independent detection of all entangled states. The protocol involves placing an entangled state to be detected in a quantum network. Finally, we identify quantum state teleportation as a representative of one-sided measurement-device-independent protocols, which helps us to propose a new benchmark for certifying the non-classicality of teleportation. By using this new benchmark we show that all entangled states can lead to a teleportation protocol that cannot be simulated classicallyLes dues darreres dècades han significat un període molt fructífer per a la investigació bàsica en relació a la teoria quàntica de la informació. Avui en dia tenim un grau de comprensió raonable sobre l'efecte que les propietats quàntiques tenen sobre diverses tasques computacionals i criptogràfiques. Paral·lelament, també es produeixen avenços en les implementacions pràctiques: Varis dispositius que realitzen distribució quàntica de claus o generació quàntica de nombres aleatoris són ja una realitat i estan disponibles comercialment. Mentrestant, més recursos s'estan invertint en construir un dispositiu que pugui provar i explotar l'anomenada superioritat quàntica. En el context d'aquesta imminent segona revolució quàntica, la importància de construir noves eines de certificació i millorar les existents és crucial. En el procés d'avaluar la no-classicalitat d'un dispositiu donat, és essencial poder estimar quines hipòtesis no comprometen el procés de certificació. L'escenari independent del dispositiu no fa cap hipòtesi sobre el funcionament intern dels dispositius, tan sols pren com a punt de partida que la teoria quàntica és correcta. Aquest escenari aconsegueix certificar el caràcter quàntic de certs dispositius, fins i tot en el supòsit que adversaris potencials tenen a la seva disposició tot el poder que les lleis de la física permeten. El tema principal d'aquesta tesi és la certificació de diversos recursos quàntics de manera independent del dispositiu. En la primera part de la tesi ens centrem en l'autoavaluació, un dels protocols independents del dispositiu més senzills. El seu objectiu és recuperar els estats quàntics que s'usen, només a partir de les correlacions observades al mesurar. Té una importància fonamental en el paradigma independent del dispositiu ja que mostra quins estats quàntics deixen una 'empremta'. En aquesta tesi presentem varis resultats referents a l'autoavaluació. Primerament, demostrem que les desigualtats de Bell encadenades poden ser usades per auto-avaluar parelles de qubits màximament entrellaçats de manera robusta, així com estats de Dicke, estats de grafs i estats de dimensió finita arbitrària que admetin la descomposició de Schmidt. Finalment, estenem l'autoavaluació a l'escenari semi-independent del dispositiu i n'explorem les seves propietats. En la segona part de la tesi anem a la certificació de varis recursos quàntics i protocols. Mentre que l'escenari independent del dispositiu ofereix seguretat en grau màxim, té algunes propietats que hom voldria evitar. És difícil d'implementar: En alguns casos es poden plantejar hipòtesis més fortes sobre el funcionament dels dispositius.En segon lloc, l'escenari es basa en l'observació de correlacions no locals, cosa que inutilitza certes classes d'estats entrellaçats per a protocols independents del dispositiu. Abordem el primer repte presentant una quantificació de l'entrellaçament i l'aleatorietat en xarxes quàntiques en l'escenari de mesurament independent del dispositiu, on se suposa que totes les parts tenen els seus aparells de preparació caracteritzats. En aquest cas, es poden detectar tots els estats entrellaçats. Quant al segon problema, combinem l'escenari de la mesurament independent del dispositiu amb l'autoavaluació i presentem el primer protocol per a una detecció de tots els estats entrellaçats de manera independent del dispositiu. El protocol implica la col·locació d'un estat entrellaçat per ser detectat en una xarxa quàntica. Finalment, identifiquem la teleportació d'estats quàntics com un representant dels protocols unilaterals de mesurament independent del dispositiu, el qual ens ajuda a proposar un nou punt de referència per certificar la no-classicalitat de la teleportació. Partint d'aquest punt de referència, demostrem que tots els estats entrellaçats indueixen un experiment de teleportació que no pot ser simulat de manera clàssica.Award-winningPostprint (published version

Device-independent certification of quantum resources

The last two decades have been a very fruitful period for the fundamental research related to quantum information theory. Today we have a fairly good understanding of how intrinsically quantum properties affect various computational and cryptographic tasks. Practical implementations are advancing as well. Devices performing quantum key distribution or quantum random number generation are already commercially available. As time goes more resources are being invested in building a device which would demonstrate and exploit quantum computational supremacy. In the context of the impending second quantum revolution it is of crucial importance to build new certification tools, improve the existing ones and understand their limits. When assessing the non-classicality of a given device it is essential to estimate which assumptions about the device are not jeopardizing the certification procedure. Device-independent scenario does not make any assumptions about the inner functioning of devices, but usually only assumes the correctness of quantum theory. It gained a lot of attention because it manages to certify the quantum character of certain devices while giving to potential adversaries all power allowed by the laws of physics. Device-independent certification of various quantum resources is the main subject of the thesis.In the first part of the thesis we focus on self-testing, one of the simplest device-independent protocols. It aims to recover quantum states solely from the observed measurement correlations. It has a fundamental importance for the device-independent paradigm because it shows which quantum states can leave a device-independent 'imprint'. Practically, it bears a significance as a possible first step in more complex protocols such as blind quantum computing, randomness generation or quantum key distribution. In this thesis we present several new self-testing results. Firstly, we provide a proof that chained Bell inequalities can be used to robustly self-test maximally entangled pair of qubits and an arbitrary number of real measurements. As a side result we also present a protocol for randomness generation based on the maximal violation of a chained Bell inequality. Secondly, we provide new self-testing protocols for several classes of multipartite quantum states: Dicke states, graph states and all states of arbitrary finite dimension admitting the Schmidt decomposition. Finally, we extend self-testing to the semi-device-independent scenario and explore its properties.In the second part we move to the certification of several quantum resources and protocols. While the device-independent scenario offers the utmost security, it has a few undesirable properties. Firstly, it is very difficult to implement. In some cases, depending on the scenario, stronger assumptions about the functioning of the devices can be made. Secondly, the scenario relies on the observation of nonlocal measurement correlations, which makes some classes of entangled states useless for device-independent protocols. We address the first difficulty by presenting quantification of entanglement and randomness in quantum networks in the measurement-device-independent scenario, in which parties are assumed to have characterized preparation devices. In this scenario all entangled states can be detected. To address the second issue, we merge measurement-device-independent entanglement detection with self-testing and present the first protocol for a completely device-independent detection of all entangled states. The protocol involves placing an entangled state to be detected in a quantum network. Finally, we identify quantum state teleportation as a representative of one-sided measurement-device-independent protocols, which helps us to propose a new benchmark for certifying the non-classicality of teleportation. By using this new benchmark we show that all entangled states can lead to a teleportation protocol that cannot be simulated classicallyLes dues darreres dècades han significat un període molt fructífer per a la investigació bàsica en relació a la teoria quàntica de la informació. Avui en dia tenim un grau de comprensió raonable sobre l'efecte que les propietats quàntiques tenen sobre diverses tasques computacionals i criptogràfiques. Paral·lelament, també es produeixen avenços en les implementacions pràctiques: Varis dispositius que realitzen distribució quàntica de claus o generació quàntica de nombres aleatoris són ja una realitat i estan disponibles comercialment. Mentrestant, més recursos s'estan invertint en construir un dispositiu que pugui provar i explotar l'anomenada superioritat quàntica. En el context d'aquesta imminent segona revolució quàntica, la importància de construir noves eines de certificació i millorar les existents és crucial. En el procés d'avaluar la no-classicalitat d'un dispositiu donat, és essencial poder estimar quines hipòtesis no comprometen el procés de certificació. L'escenari independent del dispositiu no fa cap hipòtesi sobre el funcionament intern dels dispositius, tan sols pren com a punt de partida que la teoria quàntica és correcta. Aquest escenari aconsegueix certificar el caràcter quàntic de certs dispositius, fins i tot en el supòsit que adversaris potencials tenen a la seva disposició tot el poder que les lleis de la física permeten. El tema principal d'aquesta tesi és la certificació de diversos recursos quàntics de manera independent del dispositiu. En la primera part de la tesi ens centrem en l'autoavaluació, un dels protocols independents del dispositiu més senzills. El seu objectiu és recuperar els estats quàntics que s'usen, només a partir de les correlacions observades al mesurar. Té una importància fonamental en el paradigma independent del dispositiu ja que mostra quins estats quàntics deixen una 'empremta'. En aquesta tesi presentem varis resultats referents a l'autoavaluació. Primerament, demostrem que les desigualtats de Bell encadenades poden ser usades per auto-avaluar parelles de qubits màximament entrellaçats de manera robusta, així com estats de Dicke, estats de grafs i estats de dimensió finita arbitrària que admetin la descomposició de Schmidt. Finalment, estenem l'autoavaluació a l'escenari semi-independent del dispositiu i n'explorem les seves propietats. En la segona part de la tesi anem a la certificació de varis recursos quàntics i protocols. Mentre que l'escenari independent del dispositiu ofereix seguretat en grau màxim, té algunes propietats que hom voldria evitar. És difícil d'implementar: En alguns casos es poden plantejar hipòtesis més fortes sobre el funcionament dels dispositius.En segon lloc, l'escenari es basa en l'observació de correlacions no locals, cosa que inutilitza certes classes d'estats entrellaçats per a protocols independents del dispositiu. Abordem el primer repte presentant una quantificació de l'entrellaçament i l'aleatorietat en xarxes quàntiques en l'escenari de mesurament independent del dispositiu, on se suposa que totes les parts tenen els seus aparells de preparació caracteritzats. En aquest cas, es poden detectar tots els estats entrellaçats. Quant al segon problema, combinem l'escenari de la mesurament independent del dispositiu amb l'autoavaluació i presentem el primer protocol per a una detecció de tots els estats entrellaçats de manera independent del dispositiu. El protocol implica la col·locació d'un estat entrellaçat per ser detectat en una xarxa quàntica. Finalment, identifiquem la teleportació d'estats quàntics com un representant dels protocols unilaterals de mesurament independent del dispositiu, el qual ens ajuda a proposar un nou punt de referència per certificar la no-classicalitat de la teleportació. Partint d'aquest punt de referència, demostrem que tots els estats entrellaçats indueixen un experiment de teleportació que no pot ser simulat de manera clàssica

Network quantum steering

The development of large-scale quantum networks promises to bring a multitude of technological applications as well as shed light on foundational topics, such as quantum nonlocality. It is particularly interesting to consider scenarios where sources within the network are statistically independent, which leads to so-called network nonlocality, even when parties perform fixed measurements. Here we promote certain parties to be trusted and introduce the notion of network steering and network local hidden state (NLHS) models within this paradigm of independent sources. In one direction, we show how results from Bell nonlocality and quantum steering can be used to demonstrate network steering. We further show that it is a genuinely novel effect, by exhibiting unsteerable states that nevertheless demonstrate network steering, based upon entanglement swapping, yielding a form of activation. On the other hand, we provide no-go results for network steering in a large class of scenarios, by explicitly constructing NLHS models.Comment: 11 pages, 6 figure

Experimental Certification of Quantum Transmission via Bell's Theorem

Quantum transmission links are central elements in essentially all implementations of quantum information protocols. Emerging progress in quantum technologies involving such links needs to be accompanied by appropriate certification tools. In adversarial scenarios, a certification method can be vulnerable to attacks if too much trust is placed on the underlying system. Here, we propose a protocol in a device independent framework, which allows for the certification of practical quantum transmission links in scenarios where minimal assumptions are made about the functioning of the certification setup. In particular, we take unavoidable transmission losses into account by modeling the link as a completely-positive trace-decreasing map. We also, crucially, remove the assumption of independent and identically distributed samples, which is known to be incompatible with adversarial settings. Finally, in view of the use of the certified transmitted states for follow-up applications, our protocol moves beyond certification of the channel to allow us to estimate the quality of the transmitted state itself. To illustrate the practical relevance and the feasibility of our protocol with currently available technology we provide an experimental implementation based on a state-of-the-art polarization entangled photon pair source in a Sagnac configuration and analyze its robustness for realistic losses and errors.Comment: 34 pages, 14 figure

Device-independent certification of quantum resources

The last two decades have been a very fruitful period for the fundamental research related to quantum information theory. Today we have a fairly good understanding of how intrinsically quantum properties affect various computational and cryptographic tasks. Practical implementations are advancing as well. Devices performing quantum key distribution or quantum random number generation are already commercially available. As time goes more resources are being invested in building a device which would demonstrate and exploit quantum computational supremacy. In the context of the impending second quantum revolution it is of crucial importance to build new certification tools, improve the existing ones and understand their limits. When assessing the non-classicality of a given device it is essential to estimate which assumptions about the device are not jeopardizing the certification procedure. Device-independent scenario does not make any assumptions about the inner functioning of devices, but usually only assumes the correctness of quantum theory. It gained a lot of attention because it manages to certify the quantum character of certain devices while giving to potential adversaries all power allowed by the laws of physics. Device-independent certification of various quantum resources is the main subject of the thesis.In the first part of the thesis we focus on self-testing, one of the simplest device-independent protocols. It aims to recover quantum states solely from the observed measurement correlations. It has a fundamental importance for the device-independent paradigm because it shows which quantum states can leave a device-independent 'imprint'. Practically, it bears a significance as a possible first step in more complex protocols such as blind quantum computing, randomness generation or quantum key distribution. In this thesis we present several new self-testing results. Firstly, we provide a proof that chained Bell inequalities can be used to robustly self-test maximally entangled pair of qubits and an arbitrary number of real measurements. As a side result we also present a protocol for randomness generation based on the maximal violation of a chained Bell inequality. Secondly, we provide new self-testing protocols for several classes of multipartite quantum states: Dicke states, graph states and all states of arbitrary finite dimension admitting the Schmidt decomposition. Finally, we extend self-testing to the semi-device-independent scenario and explore its properties.In the second part we move to the certification of several quantum resources and protocols. While the device-independent scenario offers the utmost security, it has a few undesirable properties. Firstly, it is very difficult to implement. In some cases, depending on the scenario, stronger assumptions about the functioning of the devices can be made. Secondly, the scenario relies on the observation of nonlocal measurement correlations, which makes some classes of entangled states useless for device-independent protocols. We address the first difficulty by presenting quantification of entanglement and randomness in quantum networks in the measurement-device-independent scenario, in which parties are assumed to have characterized preparation devices. In this scenario all entangled states can be detected. To address the second issue, we merge measurement-device-independent entanglement detection with self-testing and present the first protocol for a completely device-independent detection of all entangled states. The protocol involves placing an entangled state to be detected in a quantum network. Finally, we identify quantum state teleportation as a representative of one-sided measurement-device-independent protocols, which helps us to propose a new benchmark for certifying the non-classicality of teleportation. By using this new benchmark we show that all entangled states can lead to a teleportation protocol that cannot be simulated classicallyLes dues darreres dècades han significat un període molt fructífer per a la investigació bàsica en relació a la teoria quàntica de la informació. Avui en dia tenim un grau de comprensió raonable sobre l'efecte que les propietats quàntiques tenen sobre diverses tasques computacionals i criptogràfiques. Paral·lelament, també es produeixen avenços en les implementacions pràctiques: Varis dispositius que realitzen distribució quàntica de claus o generació quàntica de nombres aleatoris són ja una realitat i estan disponibles comercialment. Mentrestant, més recursos s'estan invertint en construir un dispositiu que pugui provar i explotar l'anomenada superioritat quàntica. En el context d'aquesta imminent segona revolució quàntica, la importància de construir noves eines de certificació i millorar les existents és crucial. En el procés d'avaluar la no-classicalitat d'un dispositiu donat, és essencial poder estimar quines hipòtesis no comprometen el procés de certificació. L'escenari independent del dispositiu no fa cap hipòtesi sobre el funcionament intern dels dispositius, tan sols pren com a punt de partida que la teoria quàntica és correcta. Aquest escenari aconsegueix certificar el caràcter quàntic de certs dispositius, fins i tot en el supòsit que adversaris potencials tenen a la seva disposició tot el poder que les lleis de la física permeten. El tema principal d'aquesta tesi és la certificació de diversos recursos quàntics de manera independent del dispositiu. En la primera part de la tesi ens centrem en l'autoavaluació, un dels protocols independents del dispositiu més senzills. El seu objectiu és recuperar els estats quàntics que s'usen, només a partir de les correlacions observades al mesurar. Té una importància fonamental en el paradigma independent del dispositiu ja que mostra quins estats quàntics deixen una 'empremta'. En aquesta tesi presentem varis resultats referents a l'autoavaluació. Primerament, demostrem que les desigualtats de Bell encadenades poden ser usades per auto-avaluar parelles de qubits màximament entrellaçats de manera robusta, així com estats de Dicke, estats de grafs i estats de dimensió finita arbitrària que admetin la descomposició de Schmidt. Finalment, estenem l'autoavaluació a l'escenari semi-independent del dispositiu i n'explorem les seves propietats. En la segona part de la tesi anem a la certificació de varis recursos quàntics i protocols. Mentre que l'escenari independent del dispositiu ofereix seguretat en grau màxim, té algunes propietats que hom voldria evitar. És difícil d'implementar: En alguns casos es poden plantejar hipòtesis més fortes sobre el funcionament dels dispositius.En segon lloc, l'escenari es basa en l'observació de correlacions no locals, cosa que inutilitza certes classes d'estats entrellaçats per a protocols independents del dispositiu. Abordem el primer repte presentant una quantificació de l'entrellaçament i l'aleatorietat en xarxes quàntiques en l'escenari de mesurament independent del dispositiu, on se suposa que totes les parts tenen els seus aparells de preparació caracteritzats. En aquest cas, es poden detectar tots els estats entrellaçats. Quant al segon problema, combinem l'escenari de la mesurament independent del dispositiu amb l'autoavaluació i presentem el primer protocol per a una detecció de tots els estats entrellaçats de manera independent del dispositiu. El protocol implica la col·locació d'un estat entrellaçat per ser detectat en una xarxa quàntica. Finalment, identifiquem la teleportació d'estats quàntics com un representant dels protocols unilaterals de mesurament independent del dispositiu, el qual ens ajuda a proposar un nou punt de referència per certificar la no-classicalitat de la teleportació. Partint d'aquest punt de referència, demostrem que tots els estats entrellaçats indueixen un experiment de teleportació que no pot ser simulat de manera clàssica

Device-independent certification of quantum resources

The last two decades have been a very fruitful period for the fundamental research related to quantum information theory. Today we have a fairly good understanding of how intrinsically quantum properties affect various computational and cryptographic tasks. Practical implementations are advancing as well. Devices performing quantum key distribution or quantum random number generation are already commercially available. As time goes more resources are being invested in building a device which would demonstrate and exploit quantum computational supremacy. In the context of the impending second quantum revolution it is of crucial importance to build new certification tools, improve the existing ones and understand their limits. When assessing the non-classicality of a given device it is essential to estimate which assumptions about the device are not jeopardizing the certification procedure. Device-independent scenario does not make any assumptions about the inner functioning of devices, but usually only assumes the correctness of quantum theory. It gained a lot of attention because it manages to certify the quantum character of certain devices while giving to potential adversaries all power allowed by the laws of physics. Device-independent certification of various quantum resources is the main subject of the thesis.In the first part of the thesis we focus on self-testing, one of the simplest device-independent protocols. It aims to recover quantum states solely from the observed measurement correlations. It has a fundamental importance for the device-independent paradigm because it shows which quantum states can leave a device-independent 'imprint'. Practically, it bears a significance as a possible first step in more complex protocols such as blind quantum computing, randomness generation or quantum key distribution. In this thesis we present several new self-testing results. Firstly, we provide a proof that chained Bell inequalities can be used to robustly self-test maximally entangled pair of qubits and an arbitrary number of real measurements. As a side result we also present a protocol for randomness generation based on the maximal violation of a chained Bell inequality. Secondly, we provide new self-testing protocols for several classes of multipartite quantum states: Dicke states, graph states and all states of arbitrary finite dimension admitting the Schmidt decomposition. Finally, we extend self-testing to the semi-device-independent scenario and explore its properties.In the second part we move to the certification of several quantum resources and protocols. While the device-independent scenario offers the utmost security, it has a few undesirable properties. Firstly, it is very difficult to implement. In some cases, depending on the scenario, stronger assumptions about the functioning of the devices can be made. Secondly, the scenario relies on the observation of nonlocal measurement correlations, which makes some classes of entangled states useless for device-independent protocols. We address the first difficulty by presenting quantification of entanglement and randomness in quantum networks in the measurement-device-independent scenario, in which parties are assumed to have characterized preparation devices. In this scenario all entangled states can be detected. To address the second issue, we merge measurement-device-independent entanglement detection with self-testing and present the first protocol for a completely device-independent detection of all entangled states. The protocol involves placing an entangled state to be detected in a quantum network. Finally, we identify quantum state teleportation as a representative of one-sided measurement-device-independent protocols, which helps us to propose a new benchmark for certifying the non-classicality of teleportation. By using this new benchmark we show that all entangled states can lead to a teleportation protocol that cannot be simulated classicallyLes dues darreres dècades han significat un període molt fructífer per a la investigació bàsica en relació a la teoria quàntica de la informació. Avui en dia tenim un grau de comprensió raonable sobre l'efecte que les propietats quàntiques tenen sobre diverses tasques computacionals i criptogràfiques. Paral·lelament, també es produeixen avenços en les implementacions pràctiques: Varis dispositius que realitzen distribució quàntica de claus o generació quàntica de nombres aleatoris són ja una realitat i estan disponibles comercialment. Mentrestant, més recursos s'estan invertint en construir un dispositiu que pugui provar i explotar l'anomenada superioritat quàntica. En el context d'aquesta imminent segona revolució quàntica, la importància de construir noves eines de certificació i millorar les existents és crucial. En el procés d'avaluar la no-classicalitat d'un dispositiu donat, és essencial poder estimar quines hipòtesis no comprometen el procés de certificació. L'escenari independent del dispositiu no fa cap hipòtesi sobre el funcionament intern dels dispositius, tan sols pren com a punt de partida que la teoria quàntica és correcta. Aquest escenari aconsegueix certificar el caràcter quàntic de certs dispositius, fins i tot en el supòsit que adversaris potencials tenen a la seva disposició tot el poder que les lleis de la física permeten. El tema principal d'aquesta tesi és la certificació de diversos recursos quàntics de manera independent del dispositiu. En la primera part de la tesi ens centrem en l'autoavaluació, un dels protocols independents del dispositiu més senzills. El seu objectiu és recuperar els estats quàntics que s'usen, només a partir de les correlacions observades al mesurar. Té una importància fonamental en el paradigma independent del dispositiu ja que mostra quins estats quàntics deixen una 'empremta'. En aquesta tesi presentem varis resultats referents a l'autoavaluació. Primerament, demostrem que les desigualtats de Bell encadenades poden ser usades per auto-avaluar parelles de qubits màximament entrellaçats de manera robusta, així com estats de Dicke, estats de grafs i estats de dimensió finita arbitrària que admetin la descomposició de Schmidt. Finalment, estenem l'autoavaluació a l'escenari semi-independent del dispositiu i n'explorem les seves propietats. En la segona part de la tesi anem a la certificació de varis recursos quàntics i protocols. Mentre que l'escenari independent del dispositiu ofereix seguretat en grau màxim, té algunes propietats que hom voldria evitar. És difícil d'implementar: En alguns casos es poden plantejar hipòtesis més fortes sobre el funcionament dels dispositius.En segon lloc, l'escenari es basa en l'observació de correlacions no locals, cosa que inutilitza certes classes d'estats entrellaçats per a protocols independents del dispositiu. Abordem el primer repte presentant una quantificació de l'entrellaçament i l'aleatorietat en xarxes quàntiques en l'escenari de mesurament independent del dispositiu, on se suposa que totes les parts tenen els seus aparells de preparació caracteritzats. En aquest cas, es poden detectar tots els estats entrellaçats. Quant al segon problema, combinem l'escenari de la mesurament independent del dispositiu amb l'autoavaluació i presentem el primer protocol per a una detecció de tots els estats entrellaçats de manera independent del dispositiu. El protocol implica la col·locació d'un estat entrellaçat per ser detectat en una xarxa quàntica. Finalment, identifiquem la teleportació d'estats quàntics com un representant dels protocols unilaterals de mesurament independent del dispositiu, el qual ens ajuda a proposar un nou punt de referència per certificar la no-classicalitat de la teleportació. Partint d'aquest punt de referència, demostrem que tots els estats entrellaçats indueixen un experiment de teleportació que no pot ser simulat de manera clàssica

La computació quàntica mitjançant interrogatori

Treball final de màster oficial fet en col·laboració amb Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), Universitat de Barcelona (UB) i Institut de Ciències Fotòniques (ICFO)[ANGLÈS] Quantum information theory forms a bridge between the foundations of quantum mechanics and its promising practical potentials. The extensive theoretical research has been conducted during the last decades and the applications such as quantum key distribution and quantum computing promise to provide real technological breakthroughs. Many experimental groups worldwide are working on the practical implementation of the concepts from the quantum information theory. In the recent years a lot of attention has been paid to the certification of truly quantum behavior of some device, claimed to be quantum. This certification can be done by using some established interactive proof in which classical user just by commanding to a quantum device (prover) can make himself sure that the device works as advertised and moreover can actually use it for some particular task. When it comes to quantum computing one has to be sure that a machine uses quantum mechanics for the computational process. Two interesting interactive proofs are developed so far. One of them uses specific computation model, Measurement-based quantum computing, which is performed on a class of highly entangled states, graph states. The difficulty with the implementation of this interactive proof is a big number of provers required for the process. In this thesis we present some initial results of the attempts to construct interactive proof that would use smaller number of provers. Difficulties of the two-prover interactive proof and guidelines for the future research are presented as well as the new three-prover interactive proof for quantum device performing computation by doing single qubit unitary operations.[CASTELLÀ] La teoría cuántica de la información establece un puente entre los fundamentos de la mecánica cuántica y su impresionante potencial práctico. La extensa investigación teórica que ha tenido lugar en las últimas décadas y aplicaciones como la distribución cuántica de claves y la computación cuántica prometen continuar en una revolución tecnológica. Muchos grupos experimentales están trabajando a lo largo y ancho del mundo en implementaciones prácticas de conceptos de la teoría cuántica de la información. En los últimos años se ha prestado mucha atención a la certificación del comportamiento cuántico de diversos sistemas que se suponían cuánticos. Dicha certificación puede realizarse mediante el uso de protocolos bien establecidos de demostraciones interactivas en los que un usuario clásico, sólo dándole órdenes a un sistema cuántico (el demostrador) puede asegurarse de que el dispositivo en cuestión funciona como es esperado y, más aún, puede utilizarse para alguna tarea en particular. Cuando se trata de computación cuántica, uno tiene que estar seguro de que la máquina realmente utiliza a la mecánica cuántica para el proceso computacional. Hasta el momento, se han desarrollado dos interesantes modelos de demostraciones interactivas. Uno de ellos sirve para certificar que se está realizando computación cuántica basada en la medición sobre un sistema. La dificultad con la implementación de este esquema de demostración interactiva es que requiere de un gran número de demostradores. En esta tesis presentamos resultados iniciales sobre el intento de construir modelos de demostración interactiva que requieran una menor cantidad de demostrados. Presentamos algunas limitaciones del modelo de demostración interactiva de dos demostradores, y mostramos un avance sobre futuras investigaciones junto con el nuevo modelo de demostración interactiva de tres partes para dispositivos que realizan computación cuántica mediante operaciones unitarias de un sólo qubit.[CATALÀ] La teoria de la informació quàntica es troba entre els fonaments de la mecànica quàntica i les seves notables implementacions pràctiques. En les últimes dècades s'ha realitzat una gran investigació teòrica en aquest camp, donant lloc a aplicacions tal com la distribució quàntica de claus i la computació quàntica, que prometen una revolució tecnològica. Molts grups experimentals internacionals treballen en la implementació dels conceptes de la teoria de la de la informació quàntica. En els últims anys s'ha prestat molta atenció a la certificació genuïna dels dispositius quàntics. Aquesta certificació pot ser duta a terme utilitzant una prova interactiva entre un usuari clàssic i un dispositiu quàntic, de forma que l'usuari pot certificar que el dispositiu té un comportament quàntic i, a més, pot utilitzar-lo per a una tasca específica. En el cas de la computació quàntica un ha d'assegurar-se que la màquina utilitza la mecànica quàntica per al procés de computació. Fins ara, s'han desenvolupat dos sistemes de demostració interactiva. Un d'ells certifica Measurement-based Quantum Computing amb un estat gràfic: un mètode de la computació quàntica en què es troba el resultat de la computació mitjançant unes determinades mesures en un estat quàntic entrellaçat. La dificultat de la seva implementació es troba en l'alta quantitat de sistemes quàntics necessaris (anomenats "provers") per realitzar el procés. En aquesta tesi es presenten uns nous resultats en l'intent de construir sistemes de demostració interactiu amb menys provers. També es presenten les dificultats associades amb sistemes de dos provers, indicacions per a futures investigacions, i un nou sistema amb tres provers en el qual es certifica la realització d'una operació unitària d'un qubit

La computació quàntica mitjançant interrogatori

Treball final de màster oficial fet en col·laboració amb Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), Universitat de Barcelona (UB) i Institut de Ciències Fotòniques (ICFO)[ANGLÈS] Quantum information theory forms a bridge between the foundations of quantum mechanics and its promising practical potentials. The extensive theoretical research has been conducted during the last decades and the applications such as quantum key distribution and quantum computing promise to provide real technological breakthroughs. Many experimental groups worldwide are working on the practical implementation of the concepts from the quantum information theory. In the recent years a lot of attention has been paid to the certification of truly quantum behavior of some device, claimed to be quantum. This certification can be done by using some established interactive proof in which classical user just by commanding to a quantum device (prover) can make himself sure that the device works as advertised and moreover can actually use it for some particular task. When it comes to quantum computing one has to be sure that a machine uses quantum mechanics for the computational process. Two interesting interactive proofs are developed so far. One of them uses specific computation model, Measurement-based quantum computing, which is performed on a class of highly entangled states, graph states. The difficulty with the implementation of this interactive proof is a big number of provers required for the process. In this thesis we present some initial results of the attempts to construct interactive proof that would use smaller number of provers. Difficulties of the two-prover interactive proof and guidelines for the future research are presented as well as the new three-prover interactive proof for quantum device performing computation by doing single qubit unitary operations.[CASTELLÀ] La teoría cuántica de la información establece un puente entre los fundamentos de la mecánica cuántica y su impresionante potencial práctico. La extensa investigación teórica que ha tenido lugar en las últimas décadas y aplicaciones como la distribución cuántica de claves y la computación cuántica prometen continuar en una revolución tecnológica. Muchos grupos experimentales están trabajando a lo largo y ancho del mundo en implementaciones prácticas de conceptos de la teoría cuántica de la información. En los últimos años se ha prestado mucha atención a la certificación del comportamiento cuántico de diversos sistemas que se suponían cuánticos. Dicha certificación puede realizarse mediante el uso de protocolos bien establecidos de demostraciones interactivas en los que un usuario clásico, sólo dándole órdenes a un sistema cuántico (el demostrador) puede asegurarse de que el dispositivo en cuestión funciona como es esperado y, más aún, puede utilizarse para alguna tarea en particular. Cuando se trata de computación cuántica, uno tiene que estar seguro de que la máquina realmente utiliza a la mecánica cuántica para el proceso computacional. Hasta el momento, se han desarrollado dos interesantes modelos de demostraciones interactivas. Uno de ellos sirve para certificar que se está realizando computación cuántica basada en la medición sobre un sistema. La dificultad con la implementación de este esquema de demostración interactiva es que requiere de un gran número de demostradores. En esta tesis presentamos resultados iniciales sobre el intento de construir modelos de demostración interactiva que requieran una menor cantidad de demostrados. Presentamos algunas limitaciones del modelo de demostración interactiva de dos demostradores, y mostramos un avance sobre futuras investigaciones junto con el nuevo modelo de demostración interactiva de tres partes para dispositivos que realizan computación cuántica mediante operaciones unitarias de un sólo qubit.[CATALÀ] La teoria de la informació quàntica es troba entre els fonaments de la mecànica quàntica i les seves notables implementacions pràctiques. En les últimes dècades s'ha realitzat una gran investigació teòrica en aquest camp, donant lloc a aplicacions tal com la distribució quàntica de claus i la computació quàntica, que prometen una revolució tecnològica. Molts grups experimentals internacionals treballen en la implementació dels conceptes de la teoria de la de la informació quàntica. En els últims anys s'ha prestat molta atenció a la certificació genuïna dels dispositius quàntics. Aquesta certificació pot ser duta a terme utilitzant una prova interactiva entre un usuari clàssic i un dispositiu quàntic, de forma que l'usuari pot certificar que el dispositiu té un comportament quàntic i, a més, pot utilitzar-lo per a una tasca específica. En el cas de la computació quàntica un ha d'assegurar-se que la màquina utilitza la mecànica quàntica per al procés de computació. Fins ara, s'han desenvolupat dos sistemes de demostració interactiva. Un d'ells certifica Measurement-based Quantum Computing amb un estat gràfic: un mètode de la computació quàntica en què es troba el resultat de la computació mitjançant unes determinades mesures en un estat quàntic entrellaçat. La dificultat de la seva implementació es troba en l'alta quantitat de sistemes quàntics necessaris (anomenats "provers") per realitzar el procés. En aquesta tesi es presenten uns nous resultats en l'intent de construir sistemes de demostració interactiu amb menys provers. També es presenten les dificultats associades amb sistemes de dos provers, indicacions per a futures investigacions, i un nou sistema amb tres provers en el qual es certifica la realització d'una operació unitària d'un qubit

La computació quàntica mitjançant interrogatori

Treball final de màster oficial fet en col·laboració amb Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), Universitat de Barcelona (UB) i Institut de Ciències Fotòniques (ICFO)[ANGLÈS] Quantum information theory forms a bridge between the foundations of quantum mechanics and its promising practical potentials. The extensive theoretical research has been conducted during the last decades and the applications such as quantum key distribution and quantum computing promise to provide real technological breakthroughs. Many experimental groups worldwide are working on the practical implementation of the concepts from the quantum information theory. In the recent years a lot of attention has been paid to the certification of truly quantum behavior of some device, claimed to be quantum. This certification can be done by using some established interactive proof in which classical user just by commanding to a quantum device (prover) can make himself sure that the device works as advertised and moreover can actually use it for some particular task. When it comes to quantum computing one has to be sure that a machine uses quantum mechanics for the computational process. Two interesting interactive proofs are developed so far. One of them uses specific computation model, Measurement-based quantum computing, which is performed on a class of highly entangled states, graph states. The difficulty with the implementation of this interactive proof is a big number of provers required for the process. In this thesis we present some initial results of the attempts to construct interactive proof that would use smaller number of provers. Difficulties of the two-prover interactive proof and guidelines for the future research are presented as well as the new three-prover interactive proof for quantum device performing computation by doing single qubit unitary operations.[CASTELLÀ] La teoría cuántica de la información establece un puente entre los fundamentos de la mecánica cuántica y su impresionante potencial práctico. La extensa investigación teórica que ha tenido lugar en las últimas décadas y aplicaciones como la distribución cuántica de claves y la computación cuántica prometen continuar en una revolución tecnológica. Muchos grupos experimentales están trabajando a lo largo y ancho del mundo en implementaciones prácticas de conceptos de la teoría cuántica de la información. En los últimos años se ha prestado mucha atención a la certificación del comportamiento cuántico de diversos sistemas que se suponían cuánticos. Dicha certificación puede realizarse mediante el uso de protocolos bien establecidos de demostraciones interactivas en los que un usuario clásico, sólo dándole órdenes a un sistema cuántico (el demostrador) puede asegurarse de que el dispositivo en cuestión funciona como es esperado y, más aún, puede utilizarse para alguna tarea en particular. Cuando se trata de computación cuántica, uno tiene que estar seguro de que la máquina realmente utiliza a la mecánica cuántica para el proceso computacional. Hasta el momento, se han desarrollado dos interesantes modelos de demostraciones interactivas. Uno de ellos sirve para certificar que se está realizando computación cuántica basada en la medición sobre un sistema. La dificultad con la implementación de este esquema de demostración interactiva es que requiere de un gran número de demostradores. En esta tesis presentamos resultados iniciales sobre el intento de construir modelos de demostración interactiva que requieran una menor cantidad de demostrados. Presentamos algunas limitaciones del modelo de demostración interactiva de dos demostradores, y mostramos un avance sobre futuras investigaciones junto con el nuevo modelo de demostración interactiva de tres partes para dispositivos que realizan computación cuántica mediante operaciones unitarias de un sólo qubit.[CATALÀ] La teoria de la informació quàntica es troba entre els fonaments de la mecànica quàntica i les seves notables implementacions pràctiques. En les últimes dècades s'ha realitzat una gran investigació teòrica en aquest camp, donant lloc a aplicacions tal com la distribució quàntica de claus i la computació quàntica, que prometen una revolució tecnològica. Molts grups experimentals internacionals treballen en la implementació dels conceptes de la teoria de la de la informació quàntica. En els últims anys s'ha prestat molta atenció a la certificació genuïna dels dispositius quàntics. Aquesta certificació pot ser duta a terme utilitzant una prova interactiva entre un usuari clàssic i un dispositiu quàntic, de forma que l'usuari pot certificar que el dispositiu té un comportament quàntic i, a més, pot utilitzar-lo per a una tasca específica. En el cas de la computació quàntica un ha d'assegurar-se que la màquina utilitza la mecànica quàntica per al procés de computació. Fins ara, s'han desenvolupat dos sistemes de demostració interactiva. Un d'ells certifica Measurement-based Quantum Computing amb un estat gràfic: un mètode de la computació quàntica en què es troba el resultat de la computació mitjançant unes determinades mesures en un estat quàntic entrellaçat. La dificultat de la seva implementació es troba en l'alta quantitat de sistemes quàntics necessaris (anomenats "provers") per realitzar el procés. En aquesta tesi es presenten uns nous resultats en l'intent de construir sistemes de demostració interactiu amb menys provers. També es presenten les dificultats associades amb sistemes de dos provers, indicacions per a futures investigacions, i un nou sistema amb tres provers en el qual es certifica la realització d'una operació unitària d'un qubit