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模型Model

局域操作与经典通信

Local operations and classical communication · LOCC

用局部量子操作与经典结果通信描述分离实验室可执行的协议,并区分确定输出、后选择与可分操作。

形式陈述 ​

Alice 与 Bob 分别持有非零有限维系统 A,B,每步仪器有有限个经典结果。LOCC(局域操作与经典通信)协议由一棵分支树描述:某一方在本地应用一个量子仪器,将经典结果发给另一方;接收方依据已有结果选择下一次本地仪器。本页以有限轮协议为基本模型,需要渐近极限时另作说明。

例如 Alice 的第一步由完全正、迹不增映射 {Aa} 给出,∑aAa 为量子信道。Bob 收到结果 a 后选择 Bb∣a。分支 (a,b) 的未归一化输出是

(Aa⊗Bb∣a)(ρAB),

其迹是分支概率。确定性转换 ρ→σ 要求把全部结果及条件校正纳入完整信道后,忽略经典记录的输出恰为 σ,不丢弃任何失败分支。若 σ 是纯态,正算子的和为秩一迫使每个非零概率分支都给出同一个目标纯态;混态目标则不要求各条件态相同。只保留某个成功分支的概率性转换是另一项任务。

直觉

双方可以测量自己的系统、引入本地辅助态、丢弃本地寄存器,并通过普通消息协调操作。每一步都不能把量子系统直接送到另一边,也不能把跨实验室的纠缠门当作免费本地门。

经典通信能告知“刚才发生了哪个分支”,从而让双方实施相应校正。它并不能凭空提供相干的联合量子操作。

为什么 LOCC 不能从可分态造纠缠 ​

输入若为 ρ=∑jpjρAj⊗ρBj,一个局部分支会把每个乘积项映为仍是乘积的正算子。归一化只改变非负权重;通信只是依据经典分支选择下一步。沿分支树归纳,每个条件输出及忽略分支后的平均输出仍可分。

这个论证甚至覆盖后选择:从可分输入开始,某个成功分支也不会变成纠缠态。若实验确实生成了纠缠,资源一定来自预共享纠缠、量子通信或非本地相互作用之一。

例子与边界

测量、通知、校正 ​

双方共享 |Φ+⟩=(|00⟩+|11⟩)/2。Alice 测计算基,结果 a∈{0,1} 各以概率 1/2 出现,条件态为 |aa⟩。她把 a 发给 Bob,双方分别施加 Xa,两条分支都到 |00⟩。所以 Bell 态可确定地转成乘积态。

如果只测量而不作上述校正,忽略结果后确定得到混态 ρC=(|00⟩⟨00|+|11⟩⟨11|)/2;两个条件输出分别为 |00⟩、|11⟩,并不等于 ρC。这正是混态转换不要求逐分支相同的例子。若 Alice 不发结果,Bob 的本地状态仍为 I/2,无法知道该施加哪个校正。条件态的改变与可读出的通信是两回事。

可分操作是更宽的数学外包络 ​

将每个局部仪器分支展开为Kraus 算子,并沿完整分支复合,任意有限轮 LOCC 信道可以写成

Λ(ρ)=∑j(Aj⊗Bj)ρ(Aj⊗Bj)†,∑jAj†Aj⊗Bj†Bj=I.

但满足这类乘积 Kraus 表示的可分操作不一定有 LOCC 分支树实现。乘积算子只描述最终代数形式,未保证每轮局部测量的完备性及可交换的经典记录。因此证明某任务连可分操作都做不到,可推出 LOCC 做不到;找到可分操作却尚未给出 LOCC 协议。

无限轮、有限轮的并集及其拓扑闭包也可能不同。讨论精确单次转换与渐近资源率时,应写明允许哪类极限。

图中虚线表示经典结果通知;“双方 I”与“双方 X”表示 Alice、Bob 各自在自己的系统上实施相应校正。

推论与应用

Nielsen 定理为双边纯态的确定性 LOCC 转换给出可计算的主序条件;纠缠蒸馏则研究许多混态副本能换来多少近似 Bell 对。二者使用相同的免费操作,却有不同的输入、误差与极限条件。

量子传态也由 LOCC 步骤实现,但消耗预共享 Bell 对。这个资源不能从协议说明中删掉,否则就会把“利用纠缠传输量子态”误读成“仅靠经典通信创造量子信道”。

参考资料
  • John Watrous,《The Theory of Quantum Information》,Cambridge University Press,2018,§6.1.2,Definition 6.25、式 (6.120) 及后续说明:LOCC 信道的分支求和与经典记录的丢弃。
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