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定理Theorem

量子不可广播定理

No-broadcasting theorem

刻画一组量子态何时能够在两个输出边缘同时保留,说明允许输出相关仍无法广播不对易态。

形式陈述 ​

给定有限维系统上的一组状态 S。若存在同一个量子信道 B:A→A1A2,对所有 ρ∈S 都满足

TrA2B(ρ)=ρ,TrA1B(ρ)=ρ,

则称这组态可广播。两个输出系统均与原系统同型,边缘由偏迹取得。不可广播定理说:这组态可广播,当且仅当它们两两对易。

广播允许输出有相关性,只要求两侧各自的状态正确。克隆要求更强的 B(ρ)=ρ⊗ρ。混态上,这两个任务必须分开。

直觉

对易态共享一套经典读出基,装置能复制基标签,再把未知概率分布保存在两侧。非对易态则包含无法同时当作经典标签读取的信息;保留两份正确边缘也会遇到这个障碍,即使允许两份相互相关。

对易方向的显式构造 ​

两两对易的 Hermitian 算子可在同一正交基下对角化:先对任一非标量成员应用谱定理,其余成员因对易而保持各特征子空间,再在这些子空间内递归。每次非平凡分解都降低块维数,有限维下最终各成员在每块上均为标量。若所有态都在基 {|i⟩} 下对角,写为 ρ=∑ipi|i⟩⟨i|。先测该基,结果为 i 时制备 |ii⟩,得到

B(ρ)=∑ipi|ii⟩⟨ii|.

每个边缘恰为 ρ。协议不必知道各个 pi,同一信道对全部该基下对角态都有效。

必要性用了什么 ​

固定两输入 ρ,σ,令 τ=(ρ+σ)/2。若同一信道广播二者,线性性也保证它广播 τ。在共同支撑 K=supp(ρ+σ) 上,τ 严格正,并且 ρ,σ⪯2τ,所以 D(ρ‖τ) 与 D(σ‖τ) 都有限。这个混合参考态避免了 D(ρ‖σ)=∞ 时整条链只是无穷等号的漏洞。

记 Ωω=B(ω)。对 ω=ρ,σ,量子相对熵的数据处理不等式沿“广播、再丢弃一侧”给

D(ω‖τ)≥D(Ωω‖Ωτ)≥D(ω‖τ).

两步因此都在有限值上取等号,而且丢弃任一侧都必须取等号。必要性的关键是同时饱和这两个偏迹的等号结构,而不是仅凭上面的数值不等式推断对易。Kalev 与 Hen 的相对熵证明分析了这种双侧约束,并得到被广播输入与参考态必须对易。

若要把输入对数都写成共同支撑上的有界算子,可先令 ρt=(1−t)τ+tρ、0<t<1。它在 K 上严格正,且由线性性同样可广播;双侧等号条件给 [ρt,τ]=0,于是 t[ρ,τ]=0。最终 [ρ,σ]=2[ρ,τ]=0。输出端的对数与等号条件则在 suppΩτ 上解释。原始 Barnum 等论文另以 fidelity 的等号条件证明这一结论;两种证明使用不同的可区分性量。

例子与边界

可广播但不是克隆 ​

取 ρ=diag(0.3,0.7)。上述构造给 0.3|00⟩⟨00|+0.7|11⟩⟨11|,只出现相同标签。若是 ρ⊗ρ,则 00,01,10,11 的概率应为 0.09,0.21,0.21,0.49。边缘完全相同,联合相关却不同。

两个非正交纯态为何连广播也不行 ​

若一个联合态的某个边缘是纯态,其支持只能位于该纯态与另一系统的张量积。因此两边缘都为 |ψ⟩⟨ψ| 时,联合态必为 |ψψ⟩⟨ψψ|:纯态广播自动成为克隆。

对 |0⟩ 与 |+⟩,假设信道的等距实现将它们克隆并留下环境态 |e0⟩,|e+⟩。保持内积要求

12=12⟨e0|e+⟩,

与Cauchy–Schwarz 界 |⟨e0|e+⟩|≤1 矛盾。这完整说明了一个非对易子例,混态的一般必要性则引用上面说明的双侧等号结构定理;本页没有仅由数据处理的数值等号重新证明该结构定理。

推论与应用

定理针对同一个未知输入装置。若经典标签直接告诉你输入是哪一个已知态,可以忽略原系统再制备多份,这并不构成对未知态的通用广播。近似广播或只保留某些可观测量的统计,也是较弱任务,需另定误差指标。

广播输出不必纯,而纯化要求找到具有给定边缘的联合纯态,并且通常依赖已知状态的描述;纯化的存在性不提供一台能够对任意未知输入实现广播的信道。

参考资料
关系图谱9 个相邻概念 · 2 类关系

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