Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

В квантовой механике , особенно в квантовой теории информации , верность - это мера «близости» двух квантовых состояний. Он выражает вероятность того, что одно состояние пройдет тест, чтобы идентифицировать себя как другое. Верность не является метрикой в пространстве матриц плотности , но ее можно использовать для определения метрики Буреса в этом пространстве.

Учитывая два оператора плотности и , точность обычно определяется как величина . В частном случае , когда и представляют собой чистые квантовые состояния , а именно, и определение сводится к квадрату перекрытия между состояниями: . В то время как не очевидно из общего определения, верность симметрична: .

Мотивация [ править ]

Для двух случайных величин со значениями ( категориальные случайные величины ) и вероятностями и верность и определяется как величина

.

Верность имеет дело с предельным распределением случайных величин. Он ничего не говорит о совместном распределении этих переменных. Другими словами, точность F (X, Y) , представляет собой квадрат скалярного произведения в и рассматривается в качестве векторов в евклидовом пространстве . Обратите внимание, что F (X, Y) = 1 тогда и только тогда, когда p = q . В целом . Эта мера известна как коэффициент Бхаттачарьи .

Учитывая классическую меру различимости двух распределений вероятностей , можно обосновать меру различимости двух квантовых состояний следующим образом. Если экспериментатор пытается определить, является ли квантовое состояние одной из двух возможностей или , наиболее общим возможным измерением, которое он может сделать для состояния, является POVM , который описывается набором эрмитовых положительно полуопределенных операторов . Если экспериментатору дано состояние , он с вероятностью засвидетельствует результат , а также с вероятностью для . Их способность различать квантовые состояния и тогда эквивалентен их способность различать между классическими вероятностными распределениями и . Естественно, экспериментатор выберет лучший POVM, который он сможет найти, поэтому это мотивирует определение квантовой точности как возведенного в квадрат коэффициента Бхаттачарьи при экстремизировании по всем возможным POVM :

Фукс и Кейвс показали, что это явно симметричное определение эквивалентно простой асимметричной формуле, приведенной в следующем разделе. [1]

Определение [ править ]

Учитывая две матрицы плотности р и σ , то точность определяется [2]

где, для положительного полуопределеннога матрицы , обозначает его уникальный положительный квадратный корень , как указано в спектральной теореме . Евклидово скалярное произведение из классического определения заменяется скалярным произведением Гильберта – Шмидта .

Некоторые из важных свойств верности квантового состояния:

  • Симметрия . .
  • Ограниченные значения . Для любого и , и .
  • Согласованность с точностью между распределениями вероятностей . Если и коммутируют , определение упрощается до
    где - собственные значения соответственно. Чтобы убедиться в этом, запомните, что если тогда они могут быть диагонализованы в одном базисе :
    так что
  • Упрощенные выражения для чистых состояний . Если это чистый , , то . Это следует из
    Если оба и чисты, а , то . Это сразу следует из приведенного выше выражения для pure.
  • Эквивалентное выражение .

Эквивалентное выражение для верности может быть записано, используя норму следа

где абсолютное значение оператора здесь определяется как .

  • Явное выражение для кубитов .

Если и являются состояниями кубита , точность может быть вычислена как [2] [3]

Состояние кубита означает, что и представлены двумерными матрицами. Этот результат следует из того, что он является положительно полуопределенным оператором , следовательно , где и - (неотрицательные) собственные значения оператора . Если (или ) является чистым, этот результат дополнительно упрощается, так как для чистых состояний.

Альтернативное определение [ править ]

Некоторые авторы используют альтернативное определение и называют это количественной верностью. [4] Однако определение более распространено. [5] [6] [7] Чтобы избежать путаницы, можно было бы назвать «верность квадратного корня». В любом случае рекомендуется уточнить принятое определение всякий раз, когда используется верность.

Другие свойства [ править ]

Унитарная инвариантность [ править ]

Прямой расчет показывает, что верность сохраняется при унитарной эволюции , т. Е.

для любого унитарного оператора .

Теорема Ульмана [ править ]

Мы видели, что для двух чистых состояний их точность совпадает с перекрытием. Теорема Ульмана [8] обобщает это утверждение на смешанные состояния с точки зрения их очищения:

Теорема. Пусть ρ и σ - матрицы плотности, действующие на C n . Пусть ρ 1 / 2 единственный положительный квадратный корень из р и

быть очистки из p (следовательно , ортонормированный базис), то справедливо следующее равенство:

где - очистка σ. Следовательно, в целом точность - это максимальное перекрытие между очистками.

Эскиз доказательства [ править ]

Простое доказательство можно набросать следующим образом. Обозначим через вектор

и σ 1 / 2 будет единственный положительный квадратный корень из а. Мы видим, что из-за унитарной свободы факторизации квадратного корня и выбора ортонормированных базисов произвольная очистка σ имеет вид

где V i - унитарные операторы . Теперь мы непосредственно вычисляем

Но в общем случае для любой квадратной матрицы A и унитарной U верно, что | tr ( AU ) | ≤ тр (( * ) 1 / 2 ). Кроме того, равенство достигается , если U * унитарный оператор в полярном разложении в А . Отсюда непосредственно следует теорема Ульмана.

Доказательство с явным разложением [ править ]

Здесь мы предоставим альтернативный, явный способ доказательства теоремы Ульмана.

Позвольте и быть очищениями и , соответственно. Для начала покажем это .

Общая форма очищений состояний такова:

, были , являются собственными векторами из и произвольные ортонормированных базисов. Перекрытие между очистками
где унитарная матрица определяется как
Вывод теперь делается с помощью неравенства :
Обратите внимание, что это неравенство является неравенством треугольника, примененным к сингулярным значениям матрицы. В самом деле, для общей матрицы и унитарной мы имеем
где являются (всегда реален и неотрицательный) сингулярные значения из , как и в сингулярном разложении . Неравенство насыщается и становится равенством тогда , когда , то есть когда и таким образом . Выше показано, что когда очищения и такие, что . Поскольку этот выбор возможен независимо от состояний, мы можем окончательно заключить, что

Последствия [ править ]

Некоторые непосредственные следствия теоремы Ульмана:

  • Верность симметрична по своим аргументам, т. Е. F (ρ, σ) = F (σ, ρ). Обратите внимание, что это не очевидно из исходного определения.
  • F (ρ, σ) лежит в [0,1] по неравенству Коши – Шварца .
  • F (ρ, σ) = 1 тогда и только тогда, когда ρ = σ, поскольку Ψ ρ = Ψ σ влечет ρ = σ.

Итак, мы видим, что верность ведет себя почти как метрика. Это можно формализовать и сделать полезным, определив

Как угол между состояниями и . Из приведенных выше свойств следует, что он неотрицателен, симметричен по входам и равен нулю тогда и только тогда, когда . Более того, можно доказать, что он подчиняется неравенству треугольника [4], так что этот угол является метрикой в ​​пространстве состояний: метрикой Фубини – Штуди . [9]

Связь с точностью между соответствующими распределениями вероятностей [ править ]

Пусть - произвольная положительная операторнозначная мера (ПОВМ); то есть набор операторов, удовлетворяющих . Это также может быть произвольное проективное измерение (PVM), что означает, что это POVM, которое также удовлетворяет и . Тогда для любой пары состояний и имеем

где на последнем шаге мы обозначили распределения вероятностей, полученные путем измерения с помощью POVM .

Это показывает, что квадратный корень из точности между двумя квантовыми состояниями ограничен сверху коэффициентом Бхаттачарьи между соответствующими распределениями вероятностей в любой возможной POVM. В самом деле, в более общем смысле верно, что

где , а минимум берется по всем возможным POVM.

Доказательство неравенства [ править ]

Как было показано ранее, квадратный корень из точности может быть записан как что эквивалентно существованию унитарного оператора, такого что

Помня, что это верно для любого POVM, мы можем написать
где на последнем шаге мы использовали неравенство Коши-Шварца, как в .

Поведение при квантовых операциях [ править ]

Можно показать, что точность между двумя состояниями никогда не уменьшается, когда к состояниям применяется неизбирательная квантовая операция : [10]

для любой сохраняющей след полностью положительной карты .

Связь с расстоянием трассировки [ править ]

Мы можем определить расстояние следа между двумя матрицами A и B в терминах нормы следа как

Когда A и B оба являются операторами плотности, это квантовое обобщение статистического расстояния . Это актуально, потому что расстояние следа обеспечивает верхнюю и нижнюю границы точности, что количественно определяется неравенствами Фукса – ван де Граафа , [11]

Часто расстояние трассировки легче вычислить или ограничить, чем точность, поэтому эти отношения весьма полезны. В случае, если хотя бы одно из состояний является чистым состоянием , нижняя граница может быть ужесточена.

Ссылки [ править ]

  1. ^ CA Fuchs, CM Caves: "Ансамбл-зависимые границы для доступной информации в квантовой механике" , Physical Review Letters 73, 3047 (1994)
  2. ^ a b Р. Джозса, Верность для смешанных квантовых состояний , J. Mod. Опт. 41 , 2315--2323 (1994). DOI: http://doi.org/10.1080/09500349414552171
  3. ^ М. Хюбнер, Явное вычисление расстояния Буреша для матриц плотности , Phys. Lett. А 163 , 239--242 (1992). DOI: https://doi.org/10.1016/0375-9601%2892%2991004-B
  4. ^ a b Нильсен, Майкл А .; Чуанг, Исаак Л. (2000). Квантовые вычисления и квантовая информация . Издательство Кембриджского университета. DOI : 10.1017 / CBO9780511976667 . ISBN 978-0521635035.
  5. ^ Бенгтссону, Ингемар (2017). Геометрия квантовых состояний: введение в квантовую запутанность . Кембридж, Соединенное Королевство Нью-Йорк, Нью-Йорк: Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-1-107-02625-4.
  6. ^ Стены, DF; Милберн, GJ (2008). Квантовая оптика . Берлин: Springer. ISBN 978-3-540-28573-1.
  7. Перейти ↑ Jaeger, Gregg (2007). Квантовая информация: обзор . Нью-Йорк Лондон: Спрингер. ISBN 978-0-387-35725-6.
  8. ^ Ульман, А. (1976). «Вероятность перехода» в пространстве состояний ∗ -алгебры » (PDF) . Доклады по математической физике . 9 (2): 273–279. Bibcode : 1976RpMP .... 9..273U . DOI : 10.1016 / 0034-4877 (76) 90060-4 . ISSN 0034-4877 .  
  9. ^ К. Жичковски, И. Бенгтссон, Геометрия квантовых состояний , Cambridge University Press, 2008, 131
  10. ^ Nielsen, MA (1996-06-13). «Верность запутанности и квантовая коррекция ошибок». arXiv : квант-ph / 9606012 . Bibcode : 1996quant.ph..6012N . Cite journal requires |journal= (help)
  11. ^ CA Fuchs и J. van de Graaf, "Меры криптографической различимости для квантово-механических состояний", IEEE Trans. Инф. Теория 45, 1216 (1999). arXiv: Quant-ph / 9712042


  • Quantiki: верность