Пример трех базисов в двумерном пространстве, где базы B1 и B2 взаимно несмещены, тогда как векторы базиса B3 не имеют равного перекрытия с векторами базиса B1 (как и B2) и поэтому B3 не является взаимно несмещенным. несмещенный с B1 (и B2).
В квантовой теории информации набор базисов в гильбертовом пространстве C d называется взаимно несмещенным , что означает, что если система подготовлена в собственном состоянии одного из базисов, то все результаты измерения относительно другие основы прогнозируются с равной вероятностью, неумолимо равной 1/d.
Обзор
Понятие взаимно несмещенных базисов было впервые введено Швингером в 1960 году [1] , а первым, кто рассмотрел применение взаимно несмещенных базисов, был Иванович [2] в задаче определения квантового состояния.
Теперь известно, что MUB и проблема их существования имеют несколько тесно связанных проблем и эквивалентных аватаров в некоторых других областях математики и квантовых наук, таких как SIC-POVM, конечные проективные/аффинные плоскости, комплексные матрицы Адамара и т. д. [см.: Связанные проблемы и разделы «Конструкции» ниже для подробной информации]
MUB важны для распределения квантовых ключей , в частности, для безопасного обмена квантовыми ключами. [3] Взаимно несмещенные базы используются во многих протоколах, поскольку результат является случайным, когда измерение производится в основе, несмещенной по отношению к той, в которой было подготовлено состояние. Когда две удаленные стороны имеют два неортогональных квантовых состояния, попытки перехватчика различить их посредством измерений повлияют на систему, и это можно обнаружить. Хотя многие протоколы квантовой криптографии опираются на однокубитные технологии , использование состояний более высокой размерности, таких как кутриты , позволяет повысить безопасность от подслушивания. [3] Это мотивирует изучение взаимно несмещенных базисов в многомерных пространствах.
Эти базы несмещены в следующем смысле: если система подготовлена в состоянии, принадлежащем одной из базисов, то все результаты измерения по отношению к другой базе прогнозируются с равной вероятностью.
Пример для d = 2
Три базы
приведите простейший пример взаимно несмещенных оснований в C 2 . Вышеупомянутые базисы состоят из собственных векторов спиновых матриц Паули и их произведения соответственно.
Пример для d = 4
Для d = 4 пример d + 1 = 5 взаимно несмещенных базисов, где каждый базис обозначается M j , 0 ≤ j ≤ 4, дается следующим образом: [12]
Проблема существования
Нерешенная задача по математике :
Каково максимальное количество MUB в любом измерении d, не являющемся простой степенью?
Обозначим максимальное число взаимно несмещенных базисов в d -мерном гильбертовом пространстве C d . Вопрос о том, сколько взаимно несмещенных базисов можно найти в C d для произвольного d , остается открытым [13] .
тогда максимальное число взаимно несмещенных базисов, которое можно построить, удовлетворяет [11]
Отсюда следует, что если размерность гильбертова пространства d представляет собой целую степень простого числа, то можно найти d + 1 взаимно несмещенные базы. Это можно увидеть в предыдущем уравнении, поскольку разложение d на простое число равно . Поэтому,
Таким образом, максимальное количество взаимно несмещенных оснований известно, когда d — целая степень простого числа, но неизвестно для произвольного d .
Наименьшее измерение, не являющееся целой степенью простого числа, равно d = 6. Это также наименьшее измерение, для которого количество взаимно несмещенных оснований неизвестно. Методы определения количества взаимно несмещенных оснований, когда d — целая степень простого числа, в этом случае использовать нельзя. Поиски набора из четырех взаимно несмещенных базисов при d = 6 как с использованием матриц Адамара [11] , так и численными методами [14] [15] не увенчались успехом. Общепринято считать, что максимальное количество взаимно несмещенных оснований для d = 6 равно . [11]
Проблема MUB по своей природе похожа на симметричное свойство SIC-POVM . Вуттерс указывает, что полный набор несмещенных базисов дает геометрическую структуру, известную как конечная проективная плоскость , в то время как SIC-POVM (в любом измерении, которое является простой степенью ) дает конечную аффинную плоскость , тип структуры, определение которой идентично. к конечной проективной плоскости с местами ролей точек и линий. В этом смысле проблемы SIC-POVM и взаимно несмещенных баз двойственны друг другу. [16]
В размерности аналогию можно продолжить: полный набор взаимно несмещенных базисов можно построить непосредственно из SIC-POVM. [17] 9 векторов SIC-POVM вместе с 12 векторами взаимно несмещенных оснований образуют набор, который можно использовать в доказательстве Кохена – Спекера . [18] Однако в 6-мерном гильбертовом пространстве известен SIC-POVM, но полный набор взаимно несмещенных базисов еще не обнаружен, и широко распространено мнение, что такого набора не существует. [19] [20]
Методы поиска взаимно несмещенных базисов
Метод группы Вейля
Пусть и – два унитарных оператора в гильбертовом пространстве C d такие, что
для некоторого фазового коэффициента . Если , например, примитивный корень из единицы, то собственные основания и взаимно несмещены.
Выбрав собственный базис в качестве стандартного базиса , мы можем сгенерировать другой несмещенный к нему базис, используя матрицу Фурье. Элементы матрицы Фурье имеют вид
Другие базы, несмещенные как по отношению к стандартному базису, так и к базису, порожденному матрицей Фурье, могут быть созданы с использованием групп Вейля. [11] Размерность гильбертова пространства важна при создании наборов взаимно несмещенных базисов с использованием групп Вейля. Когда d — простое число, то обычные d + 1 взаимно несмещенные основания можно создать с помощью групп Вейля. Когда d не является простым числом, возможно, что максимальное количество взаимно несмещенных оснований, которое можно сгенерировать с помощью этого метода, равно 3.
Метод унитарных операторов с использованием конечных полей
Тогда собственные базы следующих d + 1 операторов взаимно несмещены: [21]
Для нечетного d t -й собственный вектор оператора явно дается [13]
Когда является степенью простого числа, мы используем конечное поле для построения максимального набора из d + 1 взаимно несмещенных оснований. Обозначим элементы вычислительной базы C d с помощью конечного поля: .
Определим операторы и следующим образом
где
является аддитивным характером по полю, а также сложению и умножению в кетах и является символом .
Затем формируем d + 1 наборов коммутирующих унитарных операторов:
и для каждого
Совместные собственные базы операторов одного набора взаимно несмещены по отношению к базисам любого другого набора. [21] Таким образом, мы имеем d + 1 взаимно несмещенные основания.
Матричный метод Адамара
Учитывая, что один базис в гильбертовом пространстве является стандартным базисом, то все базисы, несмещенные по отношению к этому базису, могут быть представлены столбцами комплексной матрицы Адамара , умноженной на нормировочный коэффициент. При d = 3 эти матрицы имели бы вид
Таким образом , задача нахождения набора из k +1 взаимно несмещенных базисов соответствует нахождению k взаимно несмещенных комплексных матриц Адамара. [11]
Примером однопараметрического семейства матриц Адамара в 4-мерном гильбертовом пространстве является
Энтропийные соотношения неопределенностей и MUB
Существует альтернативная характеристика взаимно несмещенных базисов, рассматривающая их с точки зрения отношений неопределенности . [22]
где и и - соответствующая энтропия оснований и при измерении данного состояния.
Соотношения энтропийной неопределенности часто предпочтительнее [24] принципа неопределенности Гейзенберга , поскольку они формулируются не в терминах измеряемого состояния, а в терминах c .
В таких сценариях, как квантовое распределение ключей , мы стремимся к таким базам измерения, при которых полное знание состояния по отношению к одному базису подразумевает минимальное знание состояния по отношению к другим базам. Это подразумевает высокую энтропию результатов измерений, и поэтому мы называем эти отношения сильной энтропийной неопределенности.
Для двух баз нижняя граница соотношения неопределенностей максимальна, когда базы измерения взаимно несмещены, поскольку взаимно несмещенные базы максимально несовместимы : результат измерения, выполненного в базисе, несмещенном по отношению к тому, в котором подготовлено состояние, полностью случайный. Фактически, для d -мерного пространства имеем: [25]
для любой пары взаимно несмещенных оснований и . Эта оценка оптимальна : [26] Если мы измеряем состояние по одному из базисов, то результат будет иметь энтропию 0 в этом базисе и энтропию в другом.
Если размерность пространства равна простой степени, мы можем построить d + 1 MUB, и тогда было обнаружено, что [27]
что является более сильным, чем соотношение, которое мы получили бы, объединив множества в пары и затем используя уравнение Маассена и Уффинка. Таким образом, мы имеем характеристику d + 1 взаимно несмещенных базисов как тех, для которых соотношения неопределенности являются наиболее сильными.
Хотя случай двух базисов и базисов d + 1 хорошо изучен, очень мало известно о соотношениях неопределенностей для взаимно несмещенных базисов в других обстоятельствах. [27] [28]
При рассмотрении более двух и менее базисов известно, что существуют большие наборы взаимно несмещенных базисов, которые демонстрируют очень небольшую неопределенность. [29] Это означает, что простая взаимная несмещенность не приводит к высокой неопределенности, за исключением случаев, когда рассматриваются измерения только в двух базах. Однако существуют и другие измерения, которые весьма неточны. [27] [30]
Взаимно несмещенные базисы в бесконечномерных гильбертовых пространствах
Хотя исследования взаимно несмещенных базисов в бесконечномерном гильбертовом пространстве проводились, их существование остается открытым вопросом. Предполагается, что в непрерывном гильбертовом пространстве два ортонормированных базиса и называются взаимно несмещенными, если [31]
Для обобщенных собственных состояний положения и импульса и значение k равно
Существование взаимно несмещенных базисов в непрерывном гильбертовом пространстве остается открытым для дискуссий, поскольку, прежде чем можно будет прийти к каким-либо выводам, необходимы дальнейшие исследования их существования.
Состояния положения и состояния импульса являются собственными векторами эрмитовых операторов и соответственно. Вейгерт и Уилкинсон [31] первыми заметили, что и линейная комбинация этих операторов имеет собственные базы, обладающие некоторыми особенностями, типичными для взаимно несмещенных базисов. Оператор имеет собственные функции, пропорциональные с и соответствующие им собственные значения . Если мы параметризуем и as и , перекрытие между любым собственным состоянием линейной комбинации и любым собственным состоянием оператора положения (оба состояния нормализованы к дельте Дирака) является постоянным, но зависит от :
^ Швингер, Дж. (1960). «Унитарные операторские базы, Гарвардский университет». Учеб. Натл. акад. наук. США . 46 (4): 570–9. Бибкод : 1960PNAS...46..570S. дои : 10.1073/pnas.46.4.570 . ПМК 222876 . ПМИД 16590645.
^ Иванович, ID (1981). «Геометрическое описание определения квантового состояния». Дж. Физ. А. _ 14 (12): 3241–3245. Бибкод : 1981JPhA...14.3241I. дои : 10.1088/0305-4470/14/12/019.
^ ab М. Планат и др., Обзор конечных алгебраических геометрических структур, лежащих в основе взаимно несмещенных квантовых измерений, http://hal.ccsd.cnrs.fr/docs/00/07/99/18/PDF/MUB_FP.pdf.
^ Готтесман, Д. (1996). «Класс квантовых кодов, исправляющих ошибки, насыщающих квантовую границу Хэмминга». Физ. Преподобный А. 54 (3): 1862–1868. arXiv : Quant-ph/9604038 . Бибкод : 1996PhRvA..54.1862G. doi :10.1103/physreva.54.1862. PMID 9913672. S2CID 16407184.
^ Колдербанк, Арканзас; и другие. (1997). «Квантовая коррекция ошибок и ортогональная геометрия». Физ. Преподобный Летт . 78 (3): 405–408. arXiv : Quant-ph/9605005 . Бибкод : 1997PhRvL..78..405C. doi : 10.1103/physrevlett.78.405. S2CID 15326700.
↑ Хуан, Ичэнь (29 июля 2010 г.). «Критерии запутанности через соотношения неопределенностей с вогнутой функцией». Физический обзор А. 82 (1): 012335. Бибкод : 2010PhRvA..82a2335H. doi :10.1103/PhysRevA.82.012335.
^ Вайдман, Л.; и другие. (1987). «Как определить значения и частицы со спином 1/2». Физ. Преподобный Летт . 58 (14): 1385–1387. Бибкод : 1987PhRvL..58.1385V. doi : 10.1103/PhysRevLett.58.1385. ПМИД 10034422.
^ Энглерт, Б.-Г.; Ааронов, Ю. (2001). «Проблема среднего короля: простые степени свободы». Физ. Летт. А. _ 284 (1): 1–5. arXiv : Quant-ph/0101134 . Бибкод : 2001PhLA..284....1E. дои : 10.1016/s0375-9601(01)00271-7. S2CID 14848100.
^ abcdef Бенгтссон, Ингемар (2007). «Три способа взглянуть на взаимно беспристрастные базы». Материалы конференции AIP . Том. 889. стр. 40–51. arXiv : Quant-ph/0610216 . дои : 10.1063/1.2713445. S2CID 12395501.
^ Клаппенекер, Андреас; Реттелер, Мартин (2003). «Конструкции взаимно несмещенных базисов». arXiv : Quant-ph/0309120 . Бибкод : 2003quant.ph..9120K.{{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
^ аб Дурт, Т.; Энглерт, Б.-Г.; Бенгтссон, И.; Жичковский, К. (2010). «На взаимно объективных основаниях». Международный журнал квантовой информации . 8 (4): 535–640. arXiv : 1004.3348 . дои : 10.1142/s0219749910006502. S2CID 118551747.
^ П. Баттерли, У. Холл «Численные доказательства максимального количества взаимно несмещенных оснований в шестом измерении, 2007 г., https://arxiv.org/abs/quant-ph/0701122.
^ Хиршман II младший (1957). «Заметка об энтропии». Американский журнал математики . 1957 (1): 152–156. дои : 10.2307/2372390. JSTOR 2372390.
^ Х. Маассен, Дж. Б. М. Уффинк: Обобщенные энтропийные соотношения неопределенностей: Phys. Преподобный Летт. 60, 1103–1106 (1988).
^ Дамгаард, Иван Б.; Фер, Серж; Реннер, Ренато; Сальвей, Луи; Шаффнер, Кристиан (2006). «Жесткая связь энтропийной квантовой неопределенности высокого порядка с приложениями». arXiv : Quant-ph/0612014 . Бибкод : 2006quant.ph.12014D.{{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
^ Дойч, Д. (1982). «Неопределенность в квантовых измерениях». Письма о физических отзывах . 50 (9): 631–633. Бибкод : 1983PhRvL..50..631D. doi : 10.1103/physrevlett.50.631.
^ Амбайнис, Андрис (2009). «Пределы на энтропийные соотношения неопределенностей для 3 и более MUB». arXiv : 0909.3720 .{{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
^ abc С. Венер и А. Винтер, 2010 New J. Phys. 12 025009: http://iopscience.iop.org/1367-2630/12/2/025009/.
^ Ву, С.; Ю, С.; Мёлмер, К. (2009). «Энтропийное соотношение неопределенности для взаимно несмещенных оснований». Физ. Преподобный А. 79 (2): 022104. arXiv : 0811.2298 . Бибкод : 2009PhRvA..79b2104W. doi :10.1103/physreva.79.022104. S2CID 119222014.
^ Баллестер, М.; С. Венер (2007). «Энтропийные отношения неопределенности и блокировка: жесткие границы для взаимно несмещенных оснований» (PDF) . Физический обзор А. 75 (1): 022319. arXiv : quant-ph/0606244 . Бибкод : 2007PhRvA..75a2319C. doi : 10.1103/PhysRevA.75.012319. S2CID 41654752.
^ Венер, С.; А. Винтер (2008). «Соотношения более высокой энтропии неопределенности для антикоммутирующих наблюдаемых». Журнал математической физики . 49 (6): 062105. arXiv : 0710.1185 . Бибкод : 2008JMP....49f2105W. дои : 10.1063/1.2943685. S2CID 118268095.
^ аб Вейгерт, Стефан; Уилкинсон, Майкл (2008). «Взаимно несмещенные базы для непрерывных переменных». Физический обзор А. 78 (2): 020303.arXiv : 0802.0394 . Бибкод : 2008PhRvA..78b0303W. doi : 10.1103/PhysRevA.78.020303. S2CID 67784632.