Кіріспе
Кванттық механикадағы термин Кванттық механикада, әсіресе кванттық ақпарат теориясында, адалдық - екі кванттық күйдің "жақындығын" өлшейтін өлшем. Бұл бір мемлекеттің екіншісі ретінде анықталу үшін сынақтан өту ықтималдығын білдіреді. Сақтық тығыздық матрицалары кеңістігіндегі метрика емес, бірақ оны осы кеңістіктегі Бурес метрикасын анықтау үшін қолдануға болады.
In quantum mechanics, notably in quantum information theory, fidelity is a measure of the "closeness" of two quantum states. It expresses the probability that one state will pass a test to identify as the other. The fidelity is not a metric on the space of density matrices, but it can be used to define the Bures metric on this space.
Бөлшектік инварианттылық
Тікелей есептеу бірлік эволюция арқылы, яғни кез келген бірлік оператор үшін адалдық сақталатынын көрсетеді.
for any unitary operator .
Тиісті ықтималдық үлестірілімдерінің адалдық қатынасы
Кез келген оң операторлық бағалау өлшемі (POVM) болсын; яғни, кез келген күйлер жұбы үшін қанағаттандыратын оң жартылай нақты операторлардың жиынтығы және , біз соңғы қадамда қай жерде және POVM өлшеу арқылы алынған ықтималдық үлестірулері бар екендігіне көз жеткіземіз. Бұл екі кванттық күйлер арасындағы адалдықтың квадрат түбірі кез келген ықтимал POVM-дегі сәйкес ықтималдық үлестірулері арасындағы Бхаттачарья коэффициентімен жоғарғы шектелетінін көрсетеді. Шынында да, жалпы алғанда , және ең төменгі барлық мүмкін POVM-тер қабылданады. Нақтырақ айтқанда, оператордың меншікті базасында өлшеуге сәйкес келетін проекциялық POVM арқылы ең төменгі деңгейге қол жеткізілетінін дәлелдеуге болады.
where in the last step we denoted with and the probability distributions obtained by measuring with the POVM
This shows that the square root of the fidelity between two quantum states is upper bounded by the Bhattacharyya coefficient between the corresponding probability distributions in any possible POVM. Indeed, it is more generally true that where , and the minimum is taken over all possible POVMs. More specifically, one can prove that the minimum is achieved by the projective POVM corresponding to measuring in the eigenbasis of the operator .
Кванттық операциялардың жүріс-тұрысы
Екі күйдің арасындағы адалдық күйлерге таңдамалы емес кванттық операция қолданылғанда ешқашан төмендей бермейтінін көрсетуге болады: кез келген ізге толық оң картаны сақтау үшін .
Дәлелдің сызбасы
Қарапайым дәлелді мынадай түрде суреттеуге болады. Векторды белгілейік және σ1/2 σ-дің бірегей оң квадрат түбірі болсын. Біз квадрат түбір факторлық бөліністердегі бірлік еркіндікке және ортонрмальды негіздерді таңдауға байланысты σ-дің кездейсоқ тазартылуы Vi-дің бірлік операторлары болатын түрге ие екенін көреміз. Енді біз тікелей есептейміз, бірақ жалпы алғанда, кез келген квадраттық матрица үшін А және бірлік U, бұл дұрыс. Сонымен қатар, егер U* А-ның полярлы ыдыраудағы бірлік операторы болса, теңдікке қол жеткізіледі. Осының нәтижесінде тікелей Ульманның теоремасы шығады.
and σ1/2 be the unique positive square root of σ. We see that, due to the unitary freedom in square root factorizations and choosing orthonormal bases, an arbitrary purification of σ is of the form
where Vi's are unitary operators. Now we directly calculate
But in general, for any square matrix A and unitary U, it is true that |tr(AU)| ≤ tr((A*A)1/2). Furthermore, equality is achieved if U* is the unitary operator in the polar decomposition of A. From this follows directly Uhlmann's theorem.
Ашық түрде ыдыраулар бар дәлелдеме
Біз мұнда Ульманның теоремасын дәлелдеудің альтернативті, нақты әдісін ұсынамыз. Let және be - тиісінше, және тазалау. Бастауыш ретінде, күйлердің тазартуларының жалпы түрі: were , және ерікті ортонормальды негіздер. Тазартулар арасындағы үндесу - бұл жерде бірлік матрицасы былайша анықталады: Қорытындысы теңсіздікті пайдалану арқылы жасалады: Бұл теңсіздік - матрицаның жеке мәндеріне қолданылатын үшбұрышты теңсіздік. Шынында да, жалпы матрица және бірлік үшін , бізде бар , онда , , -тің (әрқашан нақты және теріс емес) жеке мәндері бар, мысалы, жеке мәннің ыдырауында. Теңсіздік қаныққанда теңдікке айналады, яғни, тазалаулар кезінде және жоғарыда көрсетілгендей, кез келген жағдайда теңдікке айналады.
The general form of the purifications of the states is:were are the eigenvectors of , and are arbitrary orthonormal bases. The overlap between the purifications iswhere the unitary matrix is defined asThe conclusion is now reached via using the inequality : Note that this inequality is the triangle inequality applied to the singular values of the matrix. Indeed, for a generic matrix and unitary , we havewhere are the (always real and non negative) singular values of , as in the singular value decomposition. The inequality is saturated and becomes an equality when , that is, when and thus The above shows that when the purifications and are such that Because this choice is possible regardless of the states, we can finally conclude that