НИЦ-ПОВМ

В контексте квантовой механики и квантовой теории информации симметричные , информационно полные, положительные операторно-значные меры (SIC - POVM ) представляют собой особый тип обобщенного измерения (POVM) . SIC-POVM особенно примечательны благодаря своим определяющим характеристикам: (1) информационная полнота; (2) иметь минимальное количество исходов, совместимых с информационной полнотой, и (3) быть высокосимметричными. В этом контексте информационная полнота является свойством POVM, позволяющим полностью восстанавливать входные состояния по данным измерений.
Свойства SIC-POVM делают их интересным кандидатом на «стандартные квантовые измерения», используемые при изучении основ квантовой механики, особенно в QBism. [ нужна ссылка ] . SIC-POVM имеют несколько применений в контексте томографии квантового состояния. [1] и квантовая криптография , [2] и возможная связь была обнаружена с двенадцатой проблемой Гильберта . [3]
Определение [ править ]
Существуют ли SIC-POVM во всех измерениях?
POVM над -мерное гильбертово пространство представляет собой набор положительно-полуопределенные операторы эта сумма равна тождеству :
Если POVM состоит как минимум из операторы, охватывающие пространство самосопряженных операторов говорят, что это информационно полная POVM (IC-POVM). IC-POVM, состоящие ровно из элементы называются минимальными. Набор ранга -1 проекторы которые имеют равные попарные скалярные произведения Гильберта–Шмидта ,
Свойства [ править ]
Симметрия [ править ]
Рассмотрим произвольный набор проекторов ранга 1. такой, что является POVM, и, следовательно, . Попросив проекторы иметь равные попарные внутренние произведения, для всех , фиксирует значение . Чтобы увидеть это, заметьте, что
Супероператор [ править ]
Используя элементы SIC-POVM, можно построить интересный супероператор, подобный которому . Этот оператор наиболее полезен при рассмотрении связи SIC-POVM со сферическими t-образными конструкциями . Рассмотрите карту
Этот оператор действует на элемент SIC-POVM способом, очень похожим на идентификатор, в том смысле, что
Но поскольку элементы SIC-POVM могут полностью и однозначно определять любое квантовое состояние, этот линейный оператор можно применить к разложению любого состояния, что дает возможность записать следующее:
- где
Отсюда левую обратную величину можно вычислить [4] быть , и так со знанием того, что
- ,
выражение состояния может быть создано с точки зрения распределения квазивероятностей следующим образом:
где — обозначение Дирака для оператора плотности, рассматриваемого в гильбертовом пространстве. . Это показывает, что соответствующее распределение квазивероятностей (названное так, потому что оно может давать отрицательные результаты) представляет состояние дается
Поиск наборов SIC [ править ]
Простейший пример [ править ]
Для уравнения, определяющие SIC-POVM, можно решить вручную, получив векторы
которые образуют вершины правильного тетраэдра в сфере Блоха . Проекторы, определяющие SIC-POVM, имеют вид , и элементы SIC-POVM, таким образом, .
Для более высоких измерений это невозможно, что требует использования более сложного подхода.
Групповая ковариация [ править ]
Общая ковариация групповая
НИЦ-ПОВМ называется групповой ковариантной, если существует группа с -мерное унитарное представление такое, что
Поиск SIC-POVM можно значительно упростить, используя свойство групповой ковариантности. Действительно, задача сводится к нахождению нормированного опорного вектора такой, что
- .
Тогда SIC-POVM представляет собой набор созданный групповым действием , на .
Случай Z d × Z d [ править ]
До сих пор большинство SIC-POVM были найдены путем рассмотрения групповой ковариации при . [5] Чтобы построить унитарное представление, мы отображаем к , группа унитарных операторов в d-мерностях. Сначала необходимо ввести несколько операторов. Позволять быть основой для , то оператор фазовый
- где является корнем единства
и оператор сдвига как
Объединение этих двух операторов дает оператор Вейля порождающее группу Гейзенберга-Вейля. Это унитарный оператор, поскольку
Можно проверить, что отображение является проективным унитарным представлением. Он также удовлетворяет всем свойствам групповой ковариации: [6] и полезен для численного расчета наборов SIC.
Гипотеза Заунера [ править ]
Учитывая некоторые полезные свойства SIC-POVM, было бы полезно, если бы было точно известно, можно ли построить такие множества в гильбертовом пространстве произвольной размерности. Первоначально предложенный в диссертации Заунера, [7] выдвинута гипотеза о существовании фидуциального вектора для произвольных размерностей.
Более конкретно,
Для каждого измерения существует SIC-POVM, элементы которого являются орбитой положительного оператора первого ранга под группой Вейля – Гейзенберга . Более того, коммутирует с элементом T группы Якоби . Действие Т на по модулю центр имеет порядок три.
Используя понятие групповой ковариации на , это можно переформулировать как [8]
Для любого размера , позволять быть ортонормированным базисом для и определить
Затем такой, что набор является SIC-POVM.
Частичные результаты [ править ]
Доказательство существования SIC-POVM для произвольных размеров остается открытым вопросом. [6] но это постоянная область исследований в сообществе квантовой информации.
Точные выражения для множеств SIC были найдены для гильбертовых пространств всех размерностей из через включительно, а в некоторых более высоких измерениях вплоть до , для 115 значений всего. [а] Кроме того, используя ковариацию группы Гейзенберга на численные решения были найдены для всех целых чисел до , а в некоторых больших размерах до . [б]
Связь со сферическими Т образными - конструкциями
Сферическая Т-образная конструкция представляет собой набор векторов на d-мерной обобщенной гиперсфере , такой, что среднее значение любого полином -порядка над равно среднему значению по всем нормализованным векторам . Определение как t-кратное тензорное произведение гильбертовых пространств и
t-кратного тензорного произведения как оператор фрейма , можно показать, что [8] набор нормализованных векторов с образует сферическую Т-образную конструкцию тогда и только тогда, когда
Отсюда сразу следует, что каждая SIC-POVM является 2-проектной, поскольку
что и является необходимым значением, удовлетворяющим приведенной выше теореме.
Связь с MUB [ править ]
В d -мерном гильбертовом пространстве два различных базиса называются взаимно несмещенными, если
По своей природе это похоже на симметричное свойство SIC-POVM. Вуттерс отмечает, что полный набор несмещенные базисы дают геометрическую структуру, известную как конечная проективная плоскость , в то время как SIC-POVM (в любом измерении, имеющем степень простого числа ) дает конечную аффинную плоскость , тип структуры, определение которой идентично определению конечной проективной плоскости с роли точек и линий поменялись местами. В этом смысле проблемы SIC-POVM и взаимно несмещенных баз двойственны друг другу. [17]
В измерении , аналогию можно продолжить: полный набор взаимно несмещенных базисов можно построить непосредственно из SIC-POVM. [18] 9 векторов SIC-POVM вместе с 12 векторами взаимно несмещенных оснований образуют набор, который можно использовать в доказательстве Кохена – Спекера . [19] Однако в 6-мерном гильбертовом пространстве известен SIC-POVM, но полный набор взаимно несмещенных базисов еще не обнаружен, и широко распространено мнение, что такого набора не существует. [20] [21]
См. также [ править ]
Примечания [ править ]
Ссылки [ править ]
- ^ Кейвс, Карлтон М .; Фукс, Кристофер А.; Шак, Рюдигер (сентябрь 2002 г.). «Неизвестные квантовые состояния: квантовое представление де Финетти». Журнал математической физики . 43 (9): 4537–4559. arXiv : Quant-ph/0104088 . Бибкод : 2002JMP....43.4537C . дои : 10.1063/1.1494475 . ISSN 0022-2488 . S2CID 17416262 .
- ^ Фукс, Калифорния; Сасаки, М. (2003). «Сжатие квантовой информации через классический канал: измерение« квантовости »набора квантовых состояний». Квант. Информация. Комп . 3 : 377–404. arXiv : Quant-ph/0302092 . Бибкод : 2003quant.ph..2092F .
- ^ Эпплби, Маркус; Фламмия, Стивен; МакКоннелл, Гэри; Ярд, Джон (24 апреля 2017 г.). «SIC и алгебраическая теория чисел». Основы физики . 47 (8): 1042–1059. arXiv : 1701.05200 . Бибкод : 2017FoPh...47.1042A . дои : 10.1007/s10701-017-0090-7 . ISSN 0015-9018 . S2CID 119334103 .
- ^ CM Caves (1999); http://info.phys.unm.edu/~caves/reports/infopovm.pdf
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Фукс, Кристофер А.; Хоанг, Майкл С.; Стейси, Блейк К. (22 марта 2017 г.). «Вопрос SIC: история и состояние дел» . Аксиомы . 6 (4): 21. arXiv : 1703.07901 . дои : 10.3390/axioms6030021 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Эпплби, DM (2005). «SIC-POVM и расширенная группа Клиффорда». Журнал математической физики . 46 (5): 052107. arXiv : quant-ph/0412001 . Бибкод : 2005JMP....46e2107A . дои : 10.1063/1.1896384 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Заунер Г. «Квантовые проекты – основы некоммутативной теории дизайна». Диссертация, Венский университет, 1999. http://www.gerhardzauner.at/documents/gz-quantendesigns.pdf.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д Ренес, Джозеф М.; Блюм-Когоут, Робин; Скотт, Эй Джей; Пещеры, Карлтон М. (2004). «Симметричные информационно полные квантовые измерения». Журнал математической физики . 45 (6): 2171. arXiv : quant-ph/0310075 . Бибкод : 2004JMP....45.2171R . дои : 10.1063/1.1737053 . S2CID 17371881 .
- ^ А. Колдобский и Х. Кениг, «Аспекты изометрической теории банаховых пространств», в Справочнике по геометрии банаховых пространств, Vol. 1, под редакцией У. Б. Джонсона и Дж. Линденштрауса (Северная Голландия, Дордрехт, 2001), стр. 899–939.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Скотт, Эй Джей; Грассль, М. (2010). «SIC-POVM: новое компьютерное исследование». Журнал математической физики . 51 (4): 042203. arXiv : 0910.5784 . Бибкод : 2010JMP....51d2203S . дои : 10.1063/1.3374022 . S2CID 115159554 .
- ^ Т.Я. Чиен. ``Равноугольные линии, проективная симметрия и красивые рамки ошибок. Кандидатская диссертация Оклендского университета (2015 г.); https://www.math.auckland.ac.nz/~waldron/Tuan/Thesis.pdf
- ^ «Точные реперные векторы SIC» . Университет Сиднея . Проверено 7 марта 2018 г.
- ^ Эпплби, Маркус; Чиен, Туан-Йоу; Фламмия, Стивен; Уолдрон, Шейн (2018). «Построение точных симметричных информационно полных измерений на основе численных решений». Физический журнал A: Математический и теоретический . 51 (16): 165302. arXiv : 1703.05981 . Бибкод : 2018JPhA...51p5302A . дои : 10.1088/1751-8121/aab4cd . S2CID 119736328 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Стейси, Блейк С. (2021). Первый курс спорадических СИЦ . Чам, Швейцария: Springer. п. 6. ISBN 978-3-030-76104-2 . OCLC 1253477267 .
- ^ Фукс, Кристофер А.; Стейси, Блейк К. (21 декабря 2016 г.). «Кбизм: квантовая теория как справочник героя». arXiv : 1612.07308 [ квант-ph ].
- ^ Скотт, Эй Джей (11 марта 2017 г.). «НИЦ: расширение списка решений». arXiv : 1703.03993 [ квант-ph ].
- ^ Вуттерс, Уильям К. (2004). «Квантовые измерения и конечная геометрия». arXiv : Quant-ph/0406032 .
- ^ Стейси, Блейк С. (2016). «SIC-POVM и совместимость квантовых состояний» . Математика . 4 (2): 36. arXiv : 1404.3774 . дои : 10.3390/math4020036 .
- ^ Бенгтссон, Ингемар; Бланчфилд, Кейт; Кабельо, Адан (2012). «Неравенство Кохена – Спекера из SIC». Буквы по физике А. 376 (4): 374–376. arXiv : 1109.6514 . Бибкод : 2012PhLA..376..374B . дои : 10.1016/j.physleta.2011.12.011 . S2CID 55755390 .
- ^ Грассль, Маркус (2004). «О SIC-POVM и MUB в измерении 6». arXiv : Quant-ph/0406175 .
- ^ Бенгтссон, Ингемар; Жичковский, Кароль (2017). Геометрия квантовых состояний: введение в квантовую запутанность (второе изд.). Кембридж, Соединенное Королевство: Издательство Кембриджского университета . стр. 313–354. ISBN 9781107026254 . OCLC 967938939 .