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定义Definition

形成纠缠

Entanglement of formation

在所有纯态系综分解中最小化平均纠缠熵,区分单份凸顶量与正则化后的制备成本。

形式陈述 ​

有限维双边态 ρAB 的形成纠缠定义为

EF(ρ)=infρ=∑jpj|ψj⟩⟨ψj|∑jpjS(TrB|ψj⟩⟨ψj|).

S 是以 2 为底的von Neumann 熵。对每个纯态先用偏迹取得约化态,再计算其熵。优化遍历所有有限纯态概率系综,不仅是谱分解;这些系综都要给出同一个联合密度算子。纯态时任何分解的非零项都在同一条射线上,故 EF(ψ)=S(ρA)。

可分态可由纯乘积态分解,因而 EF=0;有限维下反向也成立。这里熵度量的是每个纯态分量的纠缠,再对制备标签取平均,不能直接换成混态的 S(ρA)。

直觉

同一混态可能有许多“随机挑一种纯态来制备”的解释。有些解释浪费纠缠,有些完全不用纠缠。形成纠缠寻找其中平均纠缠最省的解释,而不是把某个现成分解当成状态独有的成本。

这是凸顶构造:从纯态上的一个量出发,在所有混合表示中取最小平均值。合并两个候选系综即可证明凸性,所以忘记一部分经典制备标签不会凭空提高这一最小值。

例子与边界

同一状态,两种相差一个 ebit 的分解 ​

令

ρC=12|00⟩⟨00|+12|11⟩⟨11|.

这个分解的每个分量都是乘积态,平均纠缠为零,故 EF(ρC)=0。但它也可写成

ρC=12|Φ+⟩⟨Φ+|+12|Φ−⟩⟨Φ−|,|Φ−⟩=(|00⟩−|11⟩)/2.

后一分解每项都有 1 ebit,平均为 1,只给了一个很松的上界。两侧局部态仍是 I/2,所以 S(ρA)=1 也不能用来断言该混态纠缠。

一个明确的制备上界 ​

令 Φ2=|Φ+⟩⟨Φ+| 为归一化 Bell 态的投影,其中 |Φ+⟩=(|00⟩+|11⟩)/2。取 ρ=12Φ2+12|00⟩⟨00|。按定义中的这个显式系综,有 EF(ρ)≤1/2。要把不等号改成等号,必须排除所有更省的分解;仅说明这个方案可行并不够。

两比特有 Wootters 的闭式方法。具体说,用Pauli 矩阵 Y 定义 ρ~=(Y⊗Y)ρ∗(Y⊗Y),这里 ρ∗ 表示计算基中的逐项复共轭,不是共轭转置;将 ρρ~ 特征值的非负平方根降序记为 r1,…,r4,则 concurrence 为 C=max(0,r1−r2−r3−r4)。本例非零矩阵块为 (3/41/41/41/4),算得 r1=(3+1)/4、r2=(3−1)/4,其余为零,故 C=1/2。继而

EF(ρ)=h2(1+1−C22)=h2(2+34)≈0.3546.

可见最省的平均分解确实优于直观的“半次 Bell 态”方案;这个闭式是两比特的特殊定理,不能直接套到高维。

推论与应用

若通过LOCC 消耗 Bell 对来近似制备许多份 ρ,并允许跨副本联合处理,渐近每份目标态所需的 Bell 对数称为纠缠成本。Hayden–Horodecki–Terhal 的定理 1 在有限维、制备误差趋零的情形给出

EC(ρ)=limn→∞1nEF(ρ⊗n).

因此一般有 ED(ρ)≤EC(ρ)≤EF(ρ),其中 ED 是可蒸馏纠缠。纯态三者等于纠缠熵;混态中不能未经证明假定 EF 可加,或把单份凸顶直接称为渐近成本。

上面的 0.3546 是两比特例子的单份形成纠缠值,尚不自动等于它的可蒸馏率。资源转换问题必须同时标明方向、允许操作及是否取多副本极限。

参考资料
关系图谱12 个相邻概念 · 3 类关系

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