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定义Definition

纠缠破坏信道

Entanglement-breaking channel

以测量后重新制备的等价形式识别会破坏输入与任何外部参考系统纠缠的量子信道。

形式陈述 ​

信道 Φ:A→B 称为纠缠破坏信道,若对任意有限维参考系统 R 与任意联合输入态 ρAR,(Φ⊗idR)(ρAR) 在 B:R 切分下都可分。

对有限维量子信道,这等价于存在POVM {Mj} 与输出态 σj,使

Φ(ρ)=∑jTr(Mjρ)σj,Mj⪰0,∑jMj=I.

此式称为测量后制备:先取得经典结果 j,再准备状态 σj。输出态不要求正交,测量也不要求是投影测量。

直觉

装置内部一旦只剩下经典标签,原输入与参考系统间的相干关联便无法完整传到新输出。装置仍可保留经典相关性,甚至可靠传输某些经典符号,所以“纠缠破坏”不等于“输出与输入完全无关”。

从测量制备到可分输出 ​

对联合输入,测量后参考系统得到未归一化正算子

τRj=TrA[(Mj⊗IR)ρAR].

等价地可在两侧放 Mj,从而看清它为正。输出为 ∑jσj⊗τRj;把各 τRj 的迹取作概率,便是可分分解。

反向可检查归一化 Choi 态 J(Φ)/dA 是否可分。按Kraus 页固定的输出在前、输入副本在后约定,若它分解为 ∑jpjσj⊗τj,Choi 反演给 Mj=dApjτjT;保持迹条件保证 ∑jMj=I,从而恢复测量制备式。这里无需重新证明一般 Choi 定理。

例子与边界

完全去相位仍能传经典 bit ​

计算基去相位信道为

Δ(ρ)=⟨0|ρ|0⟩|0⟩⟨0|+⟨1|ρ|1⟩|1⟩⟨1|.

它直接具有测量制备形式,所以纠缠破坏。输入 |0⟩ 与 |1⟩ 保持可完美区分;输入 Bell 态的一半则得到 12|00⟩⟨00|+12|11⟩⟨11|,只保留经典一致性。

噪声多大才足够 ​

单比特退极化信道写为 Φp(ρ)=pρ+(1−p)I/2,0≤p≤1。其归一化 Choi 态恰为 pΦ2+(1−p)I4/4。由二比特PPT 判据,该信道在且仅在 p≤1/3 时纠缠破坏。

因此一点噪声并不自动破坏全部纠缠。p=1/2 的信道虽压低 Bloch 向量长度,但 Choi 态的部分转置仍有负特征值;它能保留某些输入与参考系统的纠缠。

推论与应用

纠缠破坏信道前后再接任意信道,仍然纠缠破坏:前处理只改变待测输入,后处理无法从可分输出生成跨参考系统的纠缠。它因此构成噪声过程的一条稳定分界。

检验“对所有输入与参考系统”看似无穷,Choi 等价性把问题压成一个有限矩阵的可分性检测。不过高维可分性本身仍困难;仅检查 PPT,在高维只提供必要条件,不能单凭通过 PPT 就认证信道纠缠破坏。

参考资料
关系图谱7 个相邻概念 · 3 类关系

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