Value Indefiniteness, Randomness and Unpredictability in Quantum Foundations
De la Valeur Indéfinie aux Notions d'Aléatoire et d'Imprévisibilité Quantiques
Résumé
The outcomes of quantum measurements are generally considered to be random, but despite the fact that this randomness is an important element in quantum information theory, its nature is not well understood. In this thesis, we study several issues relating to the origin and certification of quantum randomness and unpredictability.
One of the key results in forming our understanding of quantum mechanics as an intrinsically indeterministic theory is the Kochen-Specker theorem, which shows the impossibility to consistently assign simultaneous noncontextual definite values to all quantum mechanical observables prior to measurement. However, the theorem, under the assumption that any definite values must be noncontextual, only strictly shows that some observables must be value indefinite. We strengthen this result, proving a stronger variant of the Kochen-Specker theorem showing that, under the same assumption, if a system is prepared in an arbitrary state |psi>, then every observable A is value indefinite unless |psi> is an eigenstate of A.
The indeterministic nature of quantum measurements does little to explain how the quality of quantum randomness differs from classical randomness. We show that, subject to certain physical assumptions, a sequence of bits generated by the measurement of value indefinite observables is guaranteed, in the infinite limit, to be strongly incomputable. We further discuss how this can be used to build a quantum random number generator certified by value indefiniteness.
Next, we study the notion of unpredictability, which is central to the concept of (quantum) randomness. In doing so, we propose a formal model of prediction that can be used to asses the predictability of arbitrary physical experiments. We investigate how the quantum features of value indefiniteness and complementarity can be used to certify different levels of unpredictability, and show that the outcome of a single measurement of a value indefinite quantum observable is formally unpredictable. Finally, we study the relation between this notion of unpredictability and the computability-theoretic certification of quantum randomness.
Les résultats de mesures quantiques sont généralement considérés comme aléatoires, mais leur nature aléatoire, malgré son importance dans la théorie de l'information quantique, est mal comprise. Dans cette thèse, nous étudions plusieurs problèmes liés à l'origine et la certification de l'aléatoire et l'imprévisibilité quantique.
L'un des résultats clés dans la formation de notre compréhension de la mécanique quantique comme théorie intrinsèquement indéterministe est le théorème de Kochen et Specker, qui démontre l'impossibilité d'attribuer simultanément, de façon cohérente, des valeurs définies et non-contextuelles à chaque observable avant la mesure. Cependant, si nous présumons qu'une observable à valeur définie doit être non-contextuelle, alors le théorème ne montre que le fait qu'il existe au moins une observable à valeur indéfinie. Nous renforçons ce résultat en démontrant une variante du théorème de |psi> est un état propre de A.
La nature indéterministe de la mesure quantique n'explique pas bien la différence de qualité entre l'aléatoire quantique et classique. Soumise à certaines hypothèses physiques, nous montrons qu'une suite de bits produite par la mesure des observables à valeurs indéfinies est garantie, dans la limite infinie, d'être fortement incalculable. De plus, nous discutons comment utiliser ces résultats afin de construire un générateur quantique de nombres aléatoires qui est certifié par des observables à valeurs indéfinies.
Dans la dernière partie de cette thèse, nous étudions la notion d'imprévisibilité, qui est au cœur du concept d'aléatoire (quantique). Ce faisant, nous proposons un modèle formel de (im)prévisibilité qui peut servir à évaluer la prévisibilité d'expériences physiques arbitraires. Ce modèle est appliqué aux mesures quantiques afin de comprendre comment la valeur indéfinie et la complémentarité quantique peuvent être utilisées pour certifier différents degrés d'imprévisibilité, et nous démontrons ainsi que le résultat d'une seule mesure d'une observable à valeur indéfinie est formellement imprévisible. Enfin, nous étudions la relation entre cette notion d'imprévisibilité et la certification de l'incalculabilité des suites aléatoires quantiques.
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