Statistical mechanics is one of the most successful areas of physics. Yet, almost 150 years since its inception, its foundations and basic postulates are still the subject of debate. Here we suggest that the main postulate of statistical mechanics, the equal a priori probability postulate, should be abandoned as misleading and unnecessary. We argue that it should be replaced by a general canonical principle, whose physical content is fundamentally different from the postulate it replaces: it refers to individual states, rather than to ensemble or time averages. Furthermore, whereas the original postulate is an unprovable assumption, the principle we propose is mathematically proven. The key element in this proof is the quantum entanglement between the system and its environment. Our approach separates the issue of finding the canonical state from finding out how close a system is to it, allowing us to go even beyond the usual boltzmannian situation.

We establish an operational theory of coherence (or of superposition) in quantum systems, by focusing on the optimal rate of performance of certain tasks. Namely, we introduce the two basic concepts—“coherence distillation” and “coherence cost”—in the processing quantum states under so-called incoherent operations [Baumgratz, Cramer, and Plenio, Phys. Rev. Lett. 113, 140401 (2014)]. We, then, show that, in the asymptotic limit of many copies of a state, both are given by simple single-letter formulas: the distillable coherence is given by the relative entropy of coherence (in other words, we give the relative entropy of coherence its operational interpretation), and the coherence cost by the coherence of formation, which is an optimization over convex decompositions of the state. An immediate corollary is that there exists no bound coherent state in the sense that one would need to consume coherence to create the state, but no coherence could be distilled from it. Further, we demonstrate that the coherence theory is generically an irreversible theory by a simple criterion that completely characterizes all reversible states.Received 10 July 2015DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.120404© 2016 American Physical SocietyPhysics Subject Headings (PhySH)Research AreasIrreversible processesQuantum coherence & coherence measuresQuantum foundationsGeneral Physics

A broad class of theories exist which share the distinguishing characteristics of quantum mechanics, but allow even stronger correlations. Therefore a criterion that could be used to distinguish physical theories from non-physical ones would be of considerable value. The principle of 'information causality', introduced here by Marcin Pawłowski et al., may provide just this. The principle states that communication of m classical bits causes information gain of at most m bits. The authors show that it is respected by classical and quantum physics, but violated by other models that resemble quantum mechanics but with stronger correlations. The principle is a generalization of the no-signalling condition (information cannot be transmitted faster than light) and may be a foundational property of nature. A broad class of theories exist which share the distinguishing characteristics of quantum mechanics but allow even stronger correlations. Here, the principle of 'information causality' is introduced and shown to be respected by both classical and quantum physics; however, it is violated by other models that resemble quantum mechanics but with stronger correlations. It is suggested that information causality may help to distinguish physical theories from non-physical ones. Quantum physics has remarkable distinguishing characteristics. For example, it gives only probabilistic predictions (non-determinism) and does not allow copying of unknown states (no-cloning1). Quantum correlations may be stronger than any classical ones2, but information cannot be transmitted faster than light (no-signalling). However, these features do not uniquely define quantum physics. A broad class of theories exist that share such traits and allow even stronger (than quantum) correlations3. Here we introduce the principle of ‘information causality’ and show that it is respected by classical and quantum physics but violated by all no-signalling theories with stronger than (the strongest) quantum correlations. The principle relates to the amount of information that an observer (Bob) can gain about a data set belonging to another observer (Alice), the contents of which are completely unknown to him. Using all his local resources (which may be correlated with her resources) and allowing classical communication from her, the amount of information that Bob can recover is bounded by the information volume (m) of the communication. Namely, if Alice communicates m bits to Bob, the total information obtainable by Bob cannot be greater than m. For m = 0, information causality reduces to the standard no-signalling principle. However, no-signalling theories with maximally strong correlations would allow Bob access to all the data in any m-bit subset of the whole data set held by Alice. If only one bit is sent by Alice (m = 1), this is tantamount to Bob’s being able to access the value of any single bit of Alice’s data (but not all of them). Information causality may therefore help to distinguish physical theories from non-physical ones. We suggest that information causality—a generalization of the no-signalling condition—might be one of the foundational properties of nature.

It has been observed by numerous authors that a quantum system being entangled with another one limits its possible entanglement with a third system: this has been dubbed the ``monogamous nature of entanglement.'' In this paper we present a simple identity which captures the trade off between entanglement and classical correlation, which can be used to derive rigorous monogamy relations. We also prove various other trade offs of a monogamy nature for other entanglement measures and secret and total correlation measures.

The circumstances under which a system reaches thermal equilibrium, and how to derive this from basic dynamical laws, has been a major question from the very beginning of thermodynamics and statistical mechanics. Despite considerable progress, it remains an open problem. Motivated by this issue, we address the more general question of equilibration. We prove, with virtually full generality, that reaching equilibrium is a universal property of quantum systems: almost any subsystem in interaction with a large enough bath will reach an equilibrium state and remain close to it for almost all times. We also prove several general results about other aspects of thermalization besides equilibration, for example, that the equilibrium state does not depend on the detailed microstate of the bath.

We give an operational definition of the quantum, classical, and total amounts of correlations in a bipartite quantum state. We argue that these quantities can be defined via the amount of work (noise) that is required to erase (destroy) the correlations: for the total correlation, we have to erase completely, for the quantum correlation we have to erase until a separable state is obtained, and the classical correlation is the maximal correlation left after erasing the quantum correlations. In particular, we show that the total amount of correlations is equal to the quantum mutual information, thus providing it with a direct operational interpretation. As a by-product, we obtain a direct, operational, and elementary proof of strong subadditivity of quantum entropy.

Information--be it classical or quantum--is measured by the amount of communication needed to convey it. In the classical case, if the receiver has some prior information about the messages being conveyed, less communication is needed. Here we explore the concept of prior quantum information: given an unknown quantum state distributed over two systems, we determine how much quantum communication is needed to transfer the full state to one system. This communication measures the partial information one system needs, conditioned on its prior information. We find that it is given by the conditional entropy--a quantity that was known previously, but lacked an operational meaning. In the classical case, partial information must always be positive, but we find that in the quantum world this physical quantity can be negative. If the partial information is positive, its sender needs to communicate this number of quantum bits to the receiver; if it is negative, then sender and receiver instead gain the corresponding potential for future quantum communication. We introduce a protocol that we term 'quantum state merging' which optimally transfers partial information. We show how it enables a systematic understanding of quantum network theory, and discuss several important applications including distributed compression, noiseless coding with side information, multiple access channels and assisted entanglement distillation.

In this correspondence we present a new proof of Holevo's coding theorem for transmitting classical information through quantum channels, and its strong converse. The technique is largely inspired by Wolfowitz's combinatorial approach using types of sequences. As a by-product of our approach which is independent of previous ones, both in the coding theorem and the converse, we can give a new proof of Holevo's information bound.

We study and solve the problem of distilling a secret key from quantum states representing correlation between two parties (Alice and Bob) and an eavesdropper (Eve) via one–way public discussion: we prove a coding theorem to achieve the ‘wire–tapper’ bound, the difference of the mutual information Alice–Bob and that of Alice–Eve, for so–called classical–quantum–quantum–correlations, via one–way public communication. This result yields information–theoretic formulae for the distillable secret key, giving ‘ultimate’ key rate bounds if Eve is assumed to possess a purification of Alice and Bob's joint state. Specializing our protocol somewhat and making it coherent leads us to a protocol of entanglement distillation via one–way LOCC (local operations and classical communication) which is asymptotically optimal: in fact we prove the so–called ‘hashing inequality’, which says that the coherent information (i.e. the negative conditional von Neumann entropy) is an achievable Einstein–Podolsky–Rosen rate. This result is known to imply a whole set of distillation and capacity formulae, which we briefly review.

We present a simple proof of the strong converse for identification via discrete memoryless quantum channels, based on a novel covering lemma. The new method is a generalization to quantum communication channels of Ahlswede's (1979, 1992) approach to classical channels. It involves a development of explicit large deviation estimates to the case of random variables taking values in self-adjoint operators on a Hilbert space. This theory is presented separately in an appendix, and we illustrate it by showing its application to quantum generalizations of classical hypergraph covering problems.