Quantum Information Theory is an area of physics which studies both fundamental and applied issues in quantum mechanics from an information-theoretical viewpoint. The underlying techniques are, however, often restricted to the analysis of systems which satisfy a certain independence condition. For example, it is assumed that an experiment can be repeated independently many times or that a large physical system consists of many virtually independent parts. Unfortunately, such assumptions are not always justified. This is particularly the case for practical applications — e.g. in quantum cryptography — where parts of a system might have an arbitrary and unknown behavior. We propose an approach which allows us to study general physical systems for which the above mentioned independence condition does not necessarily hold. It is based on an extension of various information-theoretical notions. For example, we introduce new uncertainty measures, called smooth min- and max-entropy, which are generalizations of the von Neumann entropy. Furthermore, we develop a quantum version of de Finetti's representation theorem, as described below. Consider a physical system consisting of n parts. These might, for instance, be the outcomes of n runs of a physical experiment. Moreover, we assume that the joint state of this n-partite system can be extended to an (n + k)-partite state which is symmetric under permutations of its parts (for some k ≫ 1). The de Finetti representation theorem then says that the original n-partite state is, in a certain sense, close to a mixture of product states. Independence thus follows (approximatively) from a symmetry condition. This symmetry condition can easily be met in many natural situations. For example, it holds for the joint state of n parts, which are chosen at random from an arbitrary (n + k)-partite system. As an application of these techniques, we prove the security of quantum key distribution (QKD), i.e. secret key agreement by communication over a quantum channel. In particular, we show that, in order to analyze QKD protocols, it is generally sufficient to consider so-called collective attacks, where the adversary is restricted to applying the same operation to each particle sent over the quantum channel separately. The proof is generic and thus applies to known protocols such as BB84 and B92 (where better bounds on the secret-key rate and on the the maximum tolerated noise level of the quantum channel are obtained) as well as to continuous variable schemes (where no full security proof has been known). Furthermore, the security holds with respect to a strong so-called universally composable definition. This implies that the keys generated by a QKD protocol can safely be used in any application, e.g. for one-time pad encryption — which, remarkably, is not the case for most standard definitions.

The uncertainty principle, originally formulated by Heisenberg, dramatically illustrates the difference between classical and quantum mechanics. The principle bounds the uncertainties about the outcomes of two incompatible measurements, such as position and momentum, on a particle. It implies that one cannot predict the outcomes for both possible choices of measurement to arbitrary precision, even if information about the preparation of the particle is available in a classical memory. However, if the particle is prepared entangled with a quantum memory, a device which is likely to soon be available, it is possible to predict the outcomes for both measurement choices precisely. In this work we strengthen the uncertainty principle to incorporate this case, providing a lower bound on the uncertainties which depends on the amount of entanglement between the particle and the quantum memory. We detail the application of our result to witnessing entanglement and to quantum key distribution.

In this paper, we show that the conditional min-entropy H min ( A | B ) of a bipartite state rhoAB is directly related to the maximum achievable overlap with a maximally entangled state if only local actions on the B -part of rhoAB are allowed. In the special case where A is classical, this overlap corresponds to the probability of guessing A given B . In a similar vein, we connect the conditional max-entropy H max ( A | B ) to the maximum fidelity of rhoAB with a product state that is completely mixed on A . In the case where A is classical, this corresponds to the security of A when used as a secret key in the presence of an adversary holding B . Because min- and max-entropies are known to characterize information-processing tasks such as randomness extraction and state merging, our results establish a direct connection between these tasks and basic operational problems. For example, they imply that the (logarithm of the) probability of guessing A given B is a lower bound on the number of uniform secret bits that can be extracted from A relative to an adversary holding B .

Despite enormous progress both in theoretical and experimental quantum cryptography, the security of most current implementations of quantum key distribution is still not established rigorously. One of the main problems is that the security of the final key is highly dependent on the number, M, of signals exchanged between the legitimate parties. While, in any practical implementation, M is limited by the available resources, existing security proofs are often only valid asymptotically for unrealistically large values of M. Here, we demonstrate that this gap between theory and practice can be overcome using a recently developed proof technique based on the uncertainty relation for smooth entropies. Specifically, we consider a family of Bennett-Brassard 1984 quantum key distribution protocols and show that security against general attacks can be guaranteed already for moderate values of M.

We present a technique for proving the security of quantum-key-distribution (QKD) protocols. It is based on direct information-theoretic arguments and thus also applies if no equivalent entanglement purification scheme can be found. Using this technique, we investigate a general class of QKD protocols with one-way classical post-processing. We show that, in order to analyze the full security of these protocols, it suffices to consider collective attacks. Indeed, we give new lower and upper bounds on the secret-key rate which only involve entropies of two-qubit density operators and which are thus easy to compute. As an illustration of our results, we analyze the Bennett-Brassard 1984, the six-state, and the Bennett 1992 protocols with one-way error correction and privacy amplification. Surprisingly, the performance of these protocols is increased if one of the parties adds noise to the measurement data before the error correction. In particular, this additional noise makes the protocols more robust against noise in the quantum channel.

Uncertainty relations give upper bounds on the accuracy by which the outcomes of two incompatible measurements can be predicted. While established uncertainty relations apply to cases where the predictions are based on purely classical data (e.g., a description of the system's state before measurement), an extended relation which remains valid in the presence of quantum information has been proposed recently [Berta et al., Nature Phys. 6, 659 (2010)]. Here, we generalize this uncertainty relation to one formulated in terms of smooth entropies. Since these entropies measure operational quantities such as extractable secret key length, our uncertainty relation is of immediate practical use. To illustrate this, we show that it directly implies security of quantum key distribution protocols. Our security claim remains valid even if the implemented measurement devices deviate arbitrarily from the theoretical model.

Despite the success of neural networks at solving concrete physics problems, their use as a general-purpose tool for scientific discovery is still in its infancy. Here, we approach this problem by modeling a neural network architecture after the human physical reasoning process, which has similarities to representation learning. This allows us to make progress towards the long-term goal of machine-assisted scientific discovery from experimental data without making prior assumptions about the system. We apply this method to toy examples and show that the network finds the physically relevant parameters, exploits conservation laws to make predictions, and can help to gain conceptual insights, e.g., Copernicus’ conclusion that the solar system is heliocentric.Received 17 July 2019DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.010508© 2020 American Physical SocietyPhysics Subject Headings (PhySH)Research AreasMachine learningQuantum foundationsQuantum tomographyPhysical SystemsArtificial neural networksInterdisciplinary PhysicsQuantum Information

Landauer's erasure principle, a widely accepted part of classical information theory first proposed by Rolf Landauer in 1961, asserts that it is necessary to perform work in order to erase data. This occurs when carrying out irreversible operations, thus releasing heat to the environment. For example, in electronics, heat generation is a major obstacle to circuitry miniaturization. Del Rio et al. show that the situation is completely different in the presence of quantum information about the system, and the implications of Landauer's principle are invalid. The more that is known about a system, the less it costs to erase it. An observer who is strongly correlated with a system may even gain work while erasing it, therefore cooling the environment. The quantum systems needed to experimentally demonstrate these results are, in principle, accessible with current technology. The heat generated by computations is not only an obstacle to circuit miniaturization but also a fundamental aspect of the relationship between information theory and thermodynamics. In principle, reversible operations may be performed at no energy cost; given that irreversible computations can always be decomposed into reversible operations followed by the erasure of data1,2, the problem of calculating their energy cost is reduced to the study of erasure. Landauer's principle states that the erasure of data stored in a system has an inherent work cost and therefore dissipates heat3,4,5,6,7,8. However, this consideration assumes that the information about the system to be erased is classical, and does not extend to the general case where an observer may have quantum information about the system to be erased, for instance by means of a quantum memory entangled with the system. Here we show that the standard formulation and implications of Landauer's principle are no longer valid in the presence of quantum information. Our main result is that the work cost of erasure is determined by the entropy of the system, conditioned on the quantum information an observer has about it. In other words, the more an observer knows about the system, the less it costs to erase it. This result gives a direct thermodynamic significance to conditional entropies, originally introduced in information theory. Furthermore, it provides new bounds on the heat generation of computations: because conditional entropies can become negative in the quantum case, an observer who is strongly correlated with a system may gain work while erasing it, thereby cooling the environment.

Bell's equations enable scientists to test the fundamental implications of quantum physics. A central tenet of this idea is that the choice of measurement is truly random. Researchers now show that some Bell experiments can even increase randomness in cases where choice is not entirely free. The concept could increase the usefulness of weakly random sources for more thorough tests of quantum mechanics. Are there fundamentally random processes in nature? Theoretical predictions, confirmed experimentally, such as the violation of Bell inequalities1, point to an affirmative answer. However, these results are based on the assumption that measurement settings can be chosen freely at random2, so assume the existence of perfectly free random processes from the outset. Here we consider a scenario in which this assumption is weakened and show that partially free random bits can be amplified to make arbitrarily free ones. More precisely, given a source of random bits whose correlation with other variables is below a certain threshold, we propose a procedure for generating fresh random bits that are virtually uncorrelated with all other variables. We also conjecture that such procedures exist for any non-trivial threshold. Our result is based solely on the no-signalling principle, which is necessary for the existence of free randomness.

We show that the quantum de Finetti theorem holds for states on infinite-dimensional systems, provided they satisfy certain experimentally verifiable conditions. This result can be applied to prove the security of quantum key distribution based on weak coherent states or other continuous variable states against general attacks.