Non-classical correlations in quantum mechanics and beyond

Abstract

Aquesta tesis parteix d'una pregunta aparentment ingènua: Què passa si es separen dos sistemes físics que estaven en contacte? Un dels descobriments més rellevants del segle passat és que els sistemes que obeeixen les lleis de la mecànica quàntica, en comptes de les lleis clàssiques, romanen intrínsecament connectats fins i tot quan estan separats físicament. Aquest fenomen és conegut com entrellaçament o entanglement. Aquí, ens preguntem quelcom més profund: pertany l'entrellaçament exclusivament als sistemes quàntics o és comú a totes les teories no clàssiques? I, donat el cas, com es pot comparar l'entrellaçament quàntic amb l'entrella çament que pertany a d'altres teories? La primera part de la tesis tracta amb aquestes qüestions considerant la teoria quàntica com a part d'un grup més ampli de teories físiques anomenat general probabilistic theories (GPTs). El Capítol 1 repassa les motivacions que hi ha darrera el formalisme GPT, contextualitzant el Capítol 2, on plantegem les preguntes mencionades en conjectures formals adjuntant-ne la nostre contribució cap a una solució completa. Al Capítol 3, considerem l'entrellaçament a nivell de mesures i no d'estats, la qual cosa ens porta cap a la investigació d'una de les seves principals implicacions, data hiding. En aquest marc, determinem la màxima efi ciència de el data hiding que un sistema quàntic pot exhibir i també el màxim valor entre tots els GPTs, trobant que els primers escalen amb l'arrel quadrada dels darrers. En la segona part d'aquest manuscrit estudiem alguns problemes relacionats amb l'entrellaçament quàntic. Al Capítol 4, discutim la seva resistència al soroll blanc, modelitzat amb canals que actuen tant local com globalment. Aquests canals depenen d'un nombre limitat de paràmetres, això fa que siguem capaços de respondre totes les preguntes bàsiques relacionades amb les propietats de transformació de l'entrellaçament. El Capítol 5 presenta la nostre visió sobre l'entrellaçament gaussià, amb especial focus en el rol del anomenat `positive partial transposition cri- terion' en aquest context. Extensament, fent servir tècniques d'anàlisis de matrius com ara Schur complements i matrix means, presentem demostracions de resultats clàssics generalitzant-los i resolent algun dels problemes oberts existents en la matèria. La tercera part de la tesis es basa en formes més generals de correlacions no clàssiques en sistemes bipartits i de variable contínua. Al Capítol 6 investiguem el Gaussian steering i problemes relacionats en la seva quantificació, així com presentem un esquema general que permeti consistentment classificar correlacions de sistemes bipartits gaussians en `clàssiques' i `quàntiques'. Finalment, el Capítol 7 explora alguns dels problemes relacionats amb strong subadditivity en desigualtats de matrius que juga un paper clau en el nostre anàlisis de correlacions en estats gaussians bipartits. Entre d'altres coses, la teoria que desenvolupem ens serveix per concloure que una Rényi-2 versió gaussiana del difús squashed entanglement coincideix amb el corresponent entrellaçament de formació quan s'avalua en estats gaussians.

Esta tesis versa sobre una cuestión aparentemente naíf: ¿qué ocurre cuando se separan dos sistemas físicos que estaban juntos previamente? Uno de los mayores descubrimientos del siglo pasado es que los sistemas que obedecen leyes mecano-cuánticas, en lugar de clásicas, permanecen ligados inextricablemente incluso tras haber sido separados físicamente, un fenómeno conocido como entrelazamiento. Aquí nos preguntamos algo más profundo si cabe: ¿es el entrelazamiento una característica exclusiva de los sistemas cuánticos o es común a todas las teorías no-clásicas? Y, si es este el caso, ¿cuán fuerte es el entrelazamiento mecano-cuántico comparado con aquel exhibido por otras teorías? La primera parte de esta tesis trata estas cuestiones considerando la teoría cuántica como parte de un conjunto más amplio de teorías físicas, colectivamente llamadas teorías probabilísticas generales (TPG). En el Capítulo 2 revisamos la sólida motivación que subyace al formalismo TPG, preparando el terreno para el Capítulo 2, donde traducimos las anteriores cuestiones a conjeturas precisas, y donde presentamos nuestro progreso hacia una solución completa. En el Capítulo 3 consideramos el entrelazamiento a nivel de medidas en vez de estados, lo cual conduce a la investigación de una de sus implicaciones principales, la ocultación de información. En este contexto, determinamos el máximo poder de ocultación de información que puede exhibir un sistema mecano-cuántico, así como el mayor valor entre todas las TPG, hallando que el primero crece como la raíz cuadrada del segundo. En la segunda parte de este manuscrito exploramos algunos de los problemas relacionados con el entrelazamiento cuántico. En el Capítulo 4 discutimos su resistencia al ruido blanco modelado por canales que actúan bien local o bien globalmente. Debido al número limitado de parámetros de los que dependen estos canales, somos capaces de responder todas las preguntas básicas que conciernen a diversas propiedades de la transformación del entrelazamiento. En el siguiente Capítulo 5 presentamos nuestra perspectiva sobre el tema del entrelazamiento gaussiano, con un énfasis particular sobre el papel del célebre \criterio de la transposición parcial positiva" en este contexto. Empleando extensivamente herramientas del análisis matricial como los complementos de Schur y las medias matriciales, presentamos pruebas unificadas de resultados clásicos, extendiéndolos y cerrando algunos de los problemas abiertos en el campo. La tercera parte de esta tesis se ocupa de formas más generales de correlaciones no-clásicas en sistemas bipartitos de variable continua. En el Capítulo 6 estudiamos el \steering" gaussiano y problemas relacionados con su cuantificaci ón, y dise~namos un esquema general que permite clasificar consistentemente correlaciones de estados gaussianos bipartitos en \clásicas" y \cuánticas". Finalmente, en el Capítulo 7 exploramos algunos problemas vinculados a una desigualdad matricial de \subaditividad fuerte" que desempe~na un papel crucial en nuestro análisis de las correlaciones en los estados gaussianos bipartitos. Entre otras cosas, la teoría que desarrollamos nos permite concluir que una versión Rényi-2 gaussiana del escurridizo squashed entanglement coincide en estados gaussianos con el correspondiente entrelazamiento de formación

This thesis is concerned with a seemingly naive question: what happens when you separate two physical systems that were previously together? One of the greatest discovery of the last century is that systems that obey quantum me- chanical instead of classical laws remain inextricably linked even after they are physically separated, a phenomenon known as entanglement. This leads im- mediately to another, deep question: is entanglement an exclusive feature of quantum systems, or is it common to all non-classical theories? And if this is the case, how strong is quantum mechanical entanglement as compared to that exhibited by other theories? The first part of the thesis deals with these questions by considering quan- tum theory as part of a wider landscape of physical theories, collectively called general probabilistic theories (GPTs). Chapter 1 reviews the compelling motiva- tions behind the GPT formalism, preparing the ground for Chapter 2, where we translate the above questions into precise conjectures, and present our progress toward a full solution. In Chapter 3 we consider entanglement at the level of measurements instead of states, which leads us to the investigation of one of its main implications, data hiding. In this context, we determine the maximal data hiding strength that a quantum mechanical system can exhibit, and also the maximum value among all GPTs, finding that the former scales as the square root of the latter. In the second part of this manuscript we explore some problems connected with quantum entanglement. In Chapter 4 we discuss its resistance to white noise, as modelled by channels acting either locally or globally. Due to the limited number of parameters on which these channels depend, we are able to answer all the basic questions concerning various entanglement transformation properties. The following Chapter 5 presents our view on the topic of Gaussian entanglement, with particular emphasis on the role of the celebrated `positive partial transposition criterion' in this context. Extensively employing matrix analysis tools such as Schur complements and matrix means, we present unified proofs of classic results, further extending them and closing some open problems in the field along the way. The third part of this thesis concerns more general forms of non-classical correlations in bipartite continuous variable systems. In Chapter 6 we look into Gaussian steering and problems related to its quantification, moreover devising a general scheme that allows to consistently classify correlations of bipartite Gaussian states into `classical' and `quantum' ones. Finally, Chapter 7 explores some problems connected with a `strong subadditivity' matrix inequality that plays a crucial role in our analysis of correlations in bipartite Gaussian states. Among other things, the theory we develop allows us to conclude that a Rényi-2 Gaussian version of the elusive squashed entanglement coincides with the corre- sponding entanglement of formation when evaluated on Gaussian states.