Quantifying randomness from Bell nonlocality

Abstract

The twentieth century was marked by two scientific revolutions. On the one hand, quantum mechanics questioned our understanding of nature and physics. On the other hand, came the realisation that information could be treated as a mathematical quantity. They together brought forward the age of information.

A conceptual leap took place in the 1980's, that consisted in treating information in a quantum way as well. The idea that the intuitive notion of information could be governed by the counter-intuitive laws of quantum mechanics proved extremely fruitful, both from fundamental and applied points of view.

The notion of randomness plays a central role in that respect. Indeed, the laws of quantum physics are probabilistic: that contrasts with thousands of years of physical theories that aimed to derive deterministic laws of nature. This, in turn, provides us with sources of random numbers, a crucial resource for information protocols.

The fact that quantum theory only describes probabilistic behaviours was for some time regarded as a form of incompleteness. But nonlocality, in the sense of Bell, showed that this was not the case: the laws of quantum physics are inherently random, i.e., the randomness they imply cannot be traced back to a lack of knowledge.

This observation has practical consequences: the outputs of a nonlocal physical process are necessarily unpredictable. Moreover, the random character of these outputs does not depend on the physical system, but only of its nonlocal character. For that reason, nonlocality-based randomness is certified in a device-independent manner.

In this thesis, we quantify nonlocality-based randomness in various frameworks. In the first scenario, we quantify randomness without relying on the quantum formalism. We consider a nonlocal process and assume that it has a specific causal structure that is only due to how it evolves with time. We provide trade-offs between nonlocality and randomness for the various causal structures that we consider.

Nonlocality-based randomness is usually defined in a theoretical framework. In the second scenario, we take a practical approach and ask how much randomness can be certified in a practical situation, where only partial information can be gained from an experiment. We describe a method to optimise how much randomness can be certified in such a situation.

Trade-offs between nonlocality and randomness are usually studied in the bipartite case, as two agents is the minimal requirement to define nonlocality. In the third scenario, we quantify how much randomness can be certified for a tripartite process.

Though nonlocality-based randomness is device-independent, the process from which randomness is certified is actually realised with a physical state. In the fourth scenario, we ask what physical requirements should be imposed on the physical state for maximal randomness to be certified, and more specifically, how entangled the underlying state should be. We show that maximal randomness can be certified from any level of entanglement.

El siglo XX estuvo marcado por dos revoluciones científicas. Por un lado, la mecánica cuántica cuestionó nuestro entendimiento de la naturaleza y de la física. Por otro lado, quedó claro que la información podía ser tratada como un objeto matemático. Juntos, ambas revoluciones dieron inicio a la era de la información. Un salto conceptual ocurrió en los años 80: se descubrió que la información podía ser tratada de manera cuántica. La idea de que la noción intuitiva de información podía ser gobernada por las leyes contra intuitivas de la mecánica cuántica resultó extremadamente fructífera tanto desde un punto de vista teórico como práctico. El concepto de aleatoriedad desempeña un papel central en este respecto. En efecto, las leyes de la física cuántica son probabilistas, lo que contrasta con siglos de teorías físicas cuyo objetivo era elaborar leyes deterministas de la naturaleza. Además, esto constituye una fuente de números aleatorios, un recurso crucial para criptografía. El hecho de que la física cuántica solo describe comportamientos aleatorios fue a veces considerado como una forma de incompletitud en la teoría. Pero la no-localidad, en el sentido de Bell, probó que no era el caso: las leyes cuánticas son intrínsecamente probabilistas, es decir, el azar que contienen no puede ser atribuido a una falta de conocimiento. Esta observación tiene consecuencias prácticas: los datos procedentes de un proceso físico no-local son necesariamente impredecibles. Además, el carácter aleatorio de estos datos no depende del sistema físico, sino solo de su carácter no-local. Por esta razón, el azar basado en la no-localidad está certificado independientemente del dispositivo físico. En esta tesis, cuantificamos el azar basado en la no-localidad en varios escenarios. En el primero, no utilizamos el formalismo cuántico. Estudiamos un proceso no-local dotado de varias estructuras causales en relación con su evolución temporal, y calculamos las relaciones entre aleatoriedad y no-localidad para estas diferentes estructuras causales. El azar basado en la no-localidad suele ser definido en un marco teórico. En el segundo escenario, adoptamos un enfoque práctico, y examinamos la relación entre aleatoriedad y no-localidad en una situación real, donde solo tenemos una información parcial, procedente de un experimento, sobre el proceso. Proponemos un método para optimizar la aleatoriedad en este caso. Hasta ahora, las relaciones entre aleatoriedad y no-localidad han sido estudiadas en el caso bipartito, dado que dos agentes forman el requisito mínimo para definir el concepto de no-localidad. En el tercer escenario, estudiamos esta relación en el caso tripartito. Aunque el azar basado en la no-localidad no depende del dispositivo físico, el proceso que sirve para generar azar debe sin embargo ser implementado con un estado cuántico. En el cuarto escenario, preguntamos si hay que imponer requisitos sobre el estado para poder certificar una máxima aleatoriedad de los resultados. Mostramos que se puede obtener la cantidad máxima de aleatoriedad indiferentemente del nivel de entrelazamiento del estado cuántico.