Как мне показать, что состояние с двумя кубитами является запутанным состоянием?


18

Состояние Белла является запутанным состоянием. Но почему это так? Как мне математически доказать это?|Φ+⟩=12(|00⟩+|11⟩)

Ответы:


19

Определение


Двухквитное состояние является запутанным состоянием, если и только если не существует двух однобитных состояний и такие, что , где обозначает тензорное произведение, а .|ψ⟩∈C4| б ⟩ = & gamma | 0 ⟩ + А , | 1 ⟩ ∈ C 2 | ⟩ ⊗ | б ⟩ = | г | ⟩ ⊗|a⟩=α|0⟩+β|1⟩∈C2|b⟩=γ|0⟩+λ|1⟩∈C2|a⟩⊗|b⟩=|ψ⟩⊗α,β,γ,λ∈C

Итак, чтобы показать, что состояние Белла является запутанным состоянием, мы просто должны покажите, что не существует двух состояний с одним кубитом и таких что .| ⟩| б⟩| Φ+⟩=| ⟩⊗| б⟩|Φ+⟩=12(|00⟩+|11⟩)|a⟩|b⟩|Φ+⟩=|a⟩⊗|b⟩

доказательство


Предположим, что

|Φ+⟩=|a⟩⊗|b⟩=(α|0⟩+β|1⟩)⊗(γ|0⟩+λ|1⟩)

Теперь мы можем просто применить распределительное свойство для получения

|Φ+⟩=⋯=(αγ|00⟩+αλ|01⟩+βγ|10⟩+βλ|11⟩)

Это должно быть равно , то есть мы должны найти коэффициенты , , и , такие, что& alpha& betagammaА12(|00⟩+|11⟩)αβγλ

12(|00⟩+|11⟩)=(αγ|00⟩+αλ|01⟩+βγ|10⟩+βλ|11⟩)

Заметьте, что в выражении мы хотим, чтобы оба и . Следовательно, и , которые являются коэффициентами , не могут быть равны нулю; другими словами, у нас должны быть и . Аналогично, и , которые являются комплексными числами, умножающими не могут быть равны нулю, то есть и . Итак, все комплексные числа| 00 ⟩ | 11 ⟩ & alpha ; & gamma | 00 ⟩ & alpha ; ≠ 0 & gamma ≠ 0 & beta ; А , | 11 ⟩ & beta ; ≠ 0 А , ≠ 0 ααγ|00⟩+αλ|01⟩+βγ|10⟩+βλ|11⟩|00⟩|11⟩αγ|00⟩α≠0γ≠0βλ|11⟩β≠0λ≠0α , , и должны отличаться от нуля.γ λβγλ

Но, чтобы получить состояние Белл , мы хотим избавиться от | 01 ⟩ и | 10 ⟩ . Итак, одно из чисел (или оба) умножается | 01 ⟩ (и | 10 ⟩ ) в выражение альфа гамма | 00 ⟩ + & alpha ; А , | 01 ⟩ + & beta ; & gamma | 10 ⟩ + & beta ; А , | 11 ⟩ , т.е. α и λ|Φ+⟩|01⟩|10⟩|01⟩|10⟩αγ|00⟩+αλ|01⟩+βγ|10⟩+βλ|11⟩αλ(и соответственно и ) должны быть равны нулю. Но мы только что видели эту , ,βα β γγαβγ и должны отличаться от нуля. Таким образом, мы не можем найти комбинацию комплексных чисел α , β , γ и λ такую, чтоλαβγλ

12(|00⟩+|11⟩)=(αγ|00⟩+αλ|01⟩+βγ|10⟩+βλ|11⟩)

Другими словами, мы не можем выразить как тензорное произведение двух однокубитных состояний. Следовательно, | Φ + ⟩ - запутанное состояние.|Φ+⟩|Φ+⟩

Мы можем выполнить аналогичное доказательство для других состояний Белла или, вообще, если мы хотим доказать, что состояние запутано.


2
Ух ты, ты ответил на свой вопрос красивым, понятным доказательством. Не то, что вы видите каждый день. Это помогло мне спасибо.
— YungGun

11

Чистое состояние, состоящее из двух частей, является отделимым тогда и только тогда, когда оно может быть записано в виде

|Ψ⟩=|ψ⟩|ϕ⟩
для произвольных единичных состояний qudit |ψ⟩ и |ϕ⟩ . В противном случае, это запутано.

Чтобы определить, запутано ли чистое состояние, можно попробовать метод грубой силы, чтобы попытаться найти удовлетворяющие состояния |ψ⟩ и |ϕ⟩ , так как в этом ответе. Это нелегкая и тяжелая работа в общем случае. Более простым способом доказать, запутано ли это чистое состояние, является вычисление матрицы приведенной плотности ρ для одного из тестов, то есть путем отслеживания другого. Состояние делимо тогда и только тогда, когда ρ имеет ранг 1. В противном случае оно запутано. Математически вы можете проверить условие ранга, просто оценив Tr(ρ2), Исходное состояние является отделимым тогда и только тогда, когда это значение равно 1. В противном случае состояние запутано.

Например, представьте, что у вас чисто разделимое состояние |Ψ⟩=|ψ⟩|ϕ⟩ . Приведенная матрица плотности на A является

ρA=TrB(|Ψ⟩⟨Ψ|)=|ψ⟩⟨ψ|,
И
Tr(ρA2)=Tr(|ψ⟩⟨ψ|⋅|ψ⟩⟨ψ|)=Tr(|ψ⟩⟨ψ|)=1.
Таким образом, мы имеем разъемное состояние.

Между тем, если мы возьмем |Ψ⟩=12(|00⟩+|11⟩), то

ρA=TrB(|Ψ⟩⟨Ψ|)=12(|0⟩⟨0|+|1⟩⟨1|)=12I
и
Tr(ρA2)=14Tr(I⋅I)=12
Поскольку это значение не равно 1, у нас запутанное состояние.

Если вы хотите узнать об обнаружении запутывания в смешанных состояниях (а не в чистых состояниях), это не так просто, но для двух кубитов существует необходимое и достаточное условие отделимости: положительность при операции частичного транспонирования .


+1 Это гораздо более элегантный метод по сравнению с алгоритмом грубой силы.
— Санчайан Датта

Что такое и Б ? Это только сами по себе? AB
— Доулман

@ Dohleman Да, это просто ярлыки для двух частей системы, одна из которых принадлежит А (Алиса), а другая Б (Боб). В данном случае это два теста.
— DaftWullie
Используя наш сайт, вы подтверждаете, что прочитали и поняли нашу Политику в отношении файлов cookie и Политику конфиденциальности.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.