On the Device-Independent Approach to Quantum Physics: Advances in Quantum Nonlocality and Multipartite Entanglement Detection

فیزیک کوانتومی در دهه 1920 با مکانیک موجی و دوگانگی موج-ذره آغاز شد. با این حال، در 20 سال گذشته شاهد یک انقلاب کوانتومی دوم بوده ایم که حول محور همبستگی های غیرمحلی و کوانتومی بین نتایج اندازه گیری متمرکز شده است. ویژگی کلید مرتبط، درهم تنیدگی، امروزه به عنوان امضای کوانتومی شناخته می شود. این انقلاب دوم امکان مطالعه همبستگی های کوانتومی را بدون هیچ گونه فرضی در مورد عملکرد داخلی دستگاه اندازه گیری، به اصطلاح رویکرد مستقل از دستگاه به فیزیک کوانتومی، باز کرد. این پایان نامه به بررسی این رویکرد جدید با استفاده از ابزار هندسی قدرتمند پلی توپ می پردازد. تأکید بر مطالعه غیرمحلی در مورد سه یا چند طرف است، جایی که نشان داده می‌شود که تنوع کاملاً جدیدی از پدیده‌ها در مقایسه با حالت دو طرفه ظاهر می‌شوند. درهم تنیدگی چند جانبه واقعی نیز برای اولین بار در چارچوب مستقل از دستگاه مورد مطالعه قرار گرفته است. در نهایت، از این ابزارها برای پاسخ به یک سوال باز دیرینه استفاده می‌شود: آیا می‌توان غیرمحلی کوانتومی را با تأثیراتی توضیح داد که از یک طرف به طرف دیگر سریع‌تر از نور منتشر می‌شوند، اما پنهان می‌مانند تا فرد نتواند از آنها برای برقراری ارتباط سریع‌تر از نور استفاده کند. سبک؟ این روشی را برای دور زدن مفهوم انیشتین از کنش در فاصله ای فراهم می کند که با نسبیت سازگار است. با این حال، پاسخ منفی نشان داده می شود، زیرا چنین تأثیراتی نمی تواند پنهان بماند.

Quantum physics started in the 1920's with wave mechanics and the wave-particle duality. However, the last 20 years have seen a second quantum revolution, centered around non-locality and quantum correlations between measurement outcomes. The associated key property, entanglement, is recognized today as the signature of quantumness. This second revolution opened the possibility of studying quantum correlations without any assumption on the internal functioning of the measurement apparata, the so-called Device-Independent Approach to Quantum Physics. This thesis explores this new approach using the powerful geometrical tool of polytopes. Emphasis is placed on the study of non-locality in the case of three or more parties, where it is shown that a whole new variety of phenomena appear compared to the bipartite case. Genuine multiparty entanglement is also studied for the first time within the device-independent framework. Finally, these tools are used to answer a long-standing open question: could quantum non-locality be explained by influences that propagate from one party to the others faster than light, but that remain hidden so that one cannot use them to communicate faster than light? This would provide a way around Einstein's notion of action at a distance that would be compatible with relativity. However, the answer is shown to be negative, as such influences could not remain hidden.