形式陈述
信道 称为纠缠破坏信道,若对任意有限维参考系统 与任意联合输入态 , 在 切分下都可分。
对有限维量子信道公理库量子信道Quantum channel · CPTP map · Completely positive trace-preserving map量子信道是完全正且保持迹的线性映射,描述包含噪声、测量结果遗忘和子系统丢弃的确定性量子状态变换。,这等价于存在POVM公理库正算子值测度(POVM)Positive operator-valued measure · POVM · 正算子值测度有限结果 POVM 是一组和为恒等算子的半正定效应算子,它通过迹公式规定各测量结果的概率。 与输出态 ,使
此式称为测量后制备:先取得经典结果 ,再准备状态 。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
等价地可在两侧放 ,从而看清它为正。输出为 ;把各 的迹取作概率,便是可分分解。
反向可检查归一化 Choi 态 是否可分。按Kraus 页固定的输出在前、输入副本在后约定公理库Kraus 表示Kraus representation · Operator-sum representation · 算子和表示有限维线性映射完全正当且仅当它能写成 Kraus 算子和,保持迹则等价于这些算子的完备性恒等式。,若它分解为 ,Choi 反演给 ;保持迹条件保证 ,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
它直接具有测量制备形式,所以纠缠破坏。输入 与 保持可完美区分;输入 Bell 态的一半则得到 ,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 ,。其归一化 Choi 态恰为 。由二比特PPT 判据公理库正部分转置判据Positive partial transpose criterion · Peres-Horodecki criterion只转置一个子系统并检查谱的符号,得到可分性的必要条件及低维情形的完整判据。,该信道在且仅在 时纠缠破坏。
因此一点噪声并不自动破坏全部纠缠。 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