التخصص المستمر في فضاء المرحلة الكمومية

التخصص المستمر في فضاء المرحلة الكمومية

زاكاري فان هيرسترايتين1,2مايكل ج. جبور1,3,4، ونيكولاس ج. سيرف1

1مركز المعلومات والاتصال الكمي ، École polytechnique de Bruxelles ، CP 165/59 ، Université libre de Bruxelles ، 1050 Brussels ، Belgium
2كلية وايان للعلوم البصرية ، جامعة أريزونا ، 1630 E. University Blvd. ، توكسون ، AZ 85721 ، الولايات المتحدة الأمريكية
3DAMTP ، مركز العلوم الرياضية ، جامعة كامبريدج ، كامبريدج CB3 0WA ، المملكة المتحدة
4قسم الفيزياء ، الجامعة التقنية في الدنمارك ، 2800 كونجينز لينجبي ، الدنمارك

تجد هذه الورقة مثيرة للاهتمام أو ترغب في مناقشة؟ Scite أو ترك تعليق على SciRate.

ملخص

نستكشف دور نظرية التخصص في فضاء المرحلة الكمومية. لهذا الغرض ، نقصر أنفسنا على الحالات الكمية ذات وظائف Wigner الإيجابية ونبين أن النسخة المستمرة من نظرية التخصص توفر نهجًا أنيقًا وطبيعيًا للغاية لاستكشاف الخصائص النظرية للمعلومات لوظائف Wigner في فضاء الطور. بعد تحديد جميع الحالات الصافية الغاوسية على أنها مكافئة بالمعنى الدقيق للتخصص المستمر ، والذي يمكن فهمه في ضوء نظرية هدسون ، فإننا نفترض وجود علاقة تخصص أساسية: أي دالة Wigner إيجابية يتم تخصصها بواسطة وظيفة Wigner للحالة النقية Gaussian (خاصةً ، حالة الفراغ البوزوني أو الحالة الأرضية للمذبذب التوافقي). نتيجة لذلك ، فإن أي دالة Schur-مقعرة لوظيفة Wigner تكون محدودة بالقيمة التي تأخذها لحالة الفراغ. وهذا يعني بدوره أن إنتروبيا Wigner أقل تقييدًا بقيمتها لحالة الفراغ ، في حين أن العكس ليس صحيحًا بشكل ملحوظ. نتيجتنا الرئيسية إذن هي إثبات علاقة التخصص الأساسية هذه لمجموعة فرعية ذات صلة من الحالات الكمومية الموجبة لـ Wigner والتي هي عبارة عن خليط من أدنى ثلاث حالات eigenstates للمذبذب التوافقي. أبعد من ذلك ، فإن التخمين مدعوم أيضًا بالأدلة العددية. نختتم بمناقشة بعض الآثار المترتبة على هذا التخمين في سياق علاقات عدم اليقين الحتمي في فضاء الطور.

يعد مبدأ عدم اليقين أحد أروع الظواهر في فيزياء الكم. في حين أنه قد يبدو من الطبيعي أن أزواج الكميات القابلة للقياس ، مثل موضع الجسيم وزخمه ، يمكن التنبؤ بها بدقة في وقت واحد ، إلا أن فيزياء الكم تمنع هذا في الواقع بالنسبة للملاحظات غير المتنقلة. جعل هايزنبرغ وكينارد هذا دقيقًا من خلال استخدام التباين في أي كمية قابلة للقياس من أجل التقاط عدم اليقين. بعد سنوات ، تمت إعادة صياغة مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ من خلال التحول إلى الانتروبيا كوسيلة مناسبة لقياس عدم اليقين. هنا ، نقدم نموذجًا نظريًا للمعلومات أقوى لفهم عدم اليقين في المتغيرات الكمومية في فضاء الطور ، وهي نظرية التخصص.

تم تطوير هذه النظرية الرياضية منذ أكثر من قرن واستخدمت في العديد من مجالات العلوم ، بدءًا من الإحصاء وحتى الفيزياء. بشكل ملحوظ ، تم تطبيقه على فيزياء الكم مؤخرًا نسبيًا ، حيث ثبت أنه نهج قوي لاستكشاف التشابك الكمي. على هذا النحو ، لم يتم استغلاله مطلقًا لوصف الكثافات المستمرة التي تصف المتغيرات الكمية في فضاء الطور ، أي وظائف Wigner. نظهر التخصص المستمر ليكون أداة مناسبة لذلك. يتعلق الدافع الرئيسي لورقتنا بالبيان القائل بأن وظيفة Wigner لحالة الفراغ للنمط البوزوني (أي الحالة الأرضية للمذبذب التوافقي) مستمرة - تخصص أي دالة Wigner أخرى ، مما يجعلها أقل يقينًا بمعنى التخصص .

بينما نعرض نتائجنا ونناقشها في سياق البصريات الكمومية ، فإنها تنتقل إلى أي زوج أساسي ، وبالتالي يجب أن يكون لها آثار في مجالات مختلفة من الفيزياء.

► بيانات BibTeX

ferences المراجع

[1] GH Hardy ، و JE Littlewood ، و G.Pólya ، "عدم المساواة". مطبعة جامعة كامبريدج ، 1934.
الشبكي: / / doi.org/ 10.2307 / 3605504

[2] AW Marshall، I. Olkin، and BC Arnold، "Inequality: Theory of Majorization and its Applications،"، vol. 143- Springer ، الطبعة الثانية ، 2011.
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-0-387-68276-1

[3] T. Ando ، "المجلة ، المصفوفات العشوائية المزدوجة ، ومقارنة القيم الذاتية" ، تطبيق الجبر الخطي. 118 ، 163 - 248 (1989).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​0024-3795(89)90580-6

[4] موسلر ، "التخصص في مقاييس التفاوت الاقتصادي" الجبر الخطي وتطبيقاته 199 ، 91-114 (1994).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​0024-3795(94)90343-3

[5] T. van Erven and P. Harremoës، “Rényi divergence and majorization” في 2010 IEEE International Symposium on Information Theory، pp. 1335–1339، IEEE. 2010.
الشبكي: / / doi.org/ 10.1109 / ISIT.2010.5513784

[6] MA Alhejji and G. Smith، "A Tight Uniform Bound for Equivution،" in 2020 IEEE International Symposium on Information Theory (ISIT)، pp. 2270–2274. 2020.
https: / / doi.org/ 10.1109 / ISIT44484.2020.9174350

[7] MG Jabbour و N. Datta ، “A Tight Uniform Bound for the Arimoto-Rényi Conditional Entropy and Extension to Classical-Quantum States،” IEEE Transactions on Information Theory 68، 2169–2181 (2022).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1109 / TIT.2022.3142812

[8] أ. هورن ، "المصفوفات العشوائية المضاعفة وقطر مصفوفة الدوران ،" المجلة الأمريكية للرياضيات 76 ، 620-630 (1954).
الشبكي: / / doi.org/ 10.2307 / 2372705

[9] نيلسن ، "شروط فئة من تحويلات التشابك" ، فيزيكال ريفيو ليترز 83 ، 436 (1999).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.83.436

[10] MA Nielsen and G.Vidal، "Majorization and interconversion of bipartite States،" Quantum Information and Composition 1، 76–93 (2001).
الشبكي: / / doi.org/ 10.26421 / QIC1.1-5

[11] نيلسن وجيه كيمبي ، "الدول المنفصلة أكثر اضطرابًا عالميًا منها محليًا" ، فيزيكال ريفيو ليترز 86 ، 5184-5187 (2001).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.86.5184

[12] T. هيروشيما ، "معيار التجسيد لقابلية التقطير لحالة الكم ثنائية الأجزاء ،" رسائل المراجعة الفيزيائية 91 ، 057902 (2003).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.91.057902

[13] Z. Puchała ، Ł. Rudnicki ، و K. Życzkowski ، "علاقات عدم اليقين الحتمية الكبرى ،" Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical 46 ، 272002 (2013).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1751-8113/​46/​27/​272002

[14] Rudnicki، Z. Puchała، and K. Życzkowski ، "علاقات عدم اليقين الحتمية للتخصص القوي ،" مراجعة فيزيائية أ 89 ، 052115 (2014).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.89.052115

[15] L. Rudnicki ، "نهج التجسيد لعلاقات عدم اليقين الحتمية للمالحظات الخشنة الحبيبات ،" مراجعة فيزيائية أ 91 ، 032123 (2015).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.91.032123

[16] برانداو ، إم هوروديكي ، إن.نج ، جيه أوبنهايم ، وس. وينر ، "القوانين الثانية للديناميكا الحرارية الكمية ،" وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم 112 ، 3275 - 3279 (2015).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1073 / pnas.1411728112

[17] R. García-Patrón، C. Navarrete-Benlloch، S. Lloyd، JH Shapiro، and NJ Cerf، "Majorization Theory Approach to the Gaussian Channel Minimum Entropy Conjecture،" Physical Review Letters 108، 110505 (2012).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.108.110505

[18] CN Gagatsos ، O. Oreshkov ، و NJ Cerf ، "علاقات التخصص وتوليد التشابك في جهاز تقسيم الحزمة ،" Physical Review A 87 ، 042307 (2013).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.87.042307

[19] دي بالما ودي.تريفيسان وف. جيوفانيتي ، "الدول السلبية تعمل على تحسين مخرجات القنوات الكمومية الغوسية البوزونية" ، معاملات IEEE على نظرية المعلومات 62 ، 2895-2906 (2016).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1109 / TIT.2016.2547426

[20] MG Jabbour ، R. García-Patrón ، و NJ Cerf ، "Majorization preservation of Gaussian bosonic channels" New Journal of Physics 18، 073047 (2016).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​18/​7/​073047

[21] MG Jabbour و NJ Cerf ، "تخصص فوك في القنوات الكمومية البوزونية مع بيئة سلبية" ، مجلة الفيزياء أ: الرياضيات والنظرية 52 ، 105302 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1751-8121/​aaf0d2

[22] ليونهاردت ، "البصريات الكمومية الأساسية: من القياسات الكمومية إلى الثقوب السوداء". مطبعة جامعة كامبريدج ، 2010.
الشبكي: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511806117

[23] أ.هيرتز ، إم جي جبور ، وإن جيه سيرف ، "علاقات عدم اليقين في قوة الانتروبيا: نحو عدم مساواة ضيقة لجميع الحالات الصافية الغاوسية" ، مجلة الفيزياء أ: الرياضيات والنظرية 50 ، 385301 (2017).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1088 / 1751-8121 / aa852f

[24] أ.هيرتز ونيجيه سيرف ، "علاقات عدم اليقين الحتمية المستمرة والمتغيرة ،" مجلة الفيزياء أ: الرياضيات والنظرية 52 ، 173001 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1751-8121/​ab03f3

[25] C. Weedbrook ، S.Pirandola ، R. García-Patrón ، NJ Cerf ، TC Ralph ، JH Shapiro ، and S. Lloyd ، "Gaussian quantum information ،" Review of Modern Physics 84، 621–669 (2012).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.84.621

[26] Z. Van Herstraeten and NJ Cerf ، "إنتروبيا Quantum Wigner ،" Physical Review A 104 ، 042211 (2021).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.104.042211

[27] FJ Narcowich ، "توزيعات النوع الإيجابي $ hbar والتطبيقات" ، مجلة الفيزياء الرياضية 30 ، 2565-2573 (1989).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1063 / 1.528537

[28] T. Bröcker و R. Werner ، "حالات مختلطة مع وظائف Wigner الإيجابية ،" مجلة الفيزياء الرياضية 36 ، 62-75 (1995).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1063 / 1.531326

[29] RL Hudson ، "متى تكون كثافة احتمالية شبه Wigner غير سالبة؟" تقارير عن الفيزياء الرياضية 6 ، 249-252 (1974).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​0034-4877(74)90007-X

[30] F. Soto و P. Claverie ، "متى تكون وظيفة Wigner للأنظمة متعددة الأبعاد غير سلبية؟" مجلة الفيزياء الرياضية 24 ، 97-100 (1983).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1063 / 1.525607

[31] FJ Narcowich و R. O'Connell ، "الشروط الضرورية والكافية لوظيفة فضاء الطور لتكون توزيع Wigner ،" Physical Review A 34 ، 1 (1986).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.34.1

[32] A. Mandilara، E. Karpov، and NJ Cerf، "Extending Hudson's theorem to Mixed quantum States،" Physical Review A 79، 062302 (2009).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.79.062302

[33] A. Mandilara، E.Karpov، and N. Cerf، "Gaussianity bounds for quantum mix state with a positive Wigner function،" in Journal of Physics: Conference Series، vol. 254 ، ص. 012011 ، IOP للنشر. 2010.
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1742-6596/​254/​1/​012011

[34] إل وانج وماديمان ، "ما وراء عدم المساواة في الطاقة غير المنتظمة ، عبر إعادة الترتيب" ، IEEE Transactions on Information Theory 60 ، 5116-5137 (2014).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1109 / TIT.2014.2338852

[35] GH Hardy ، و JE Littlewood ، و G. Pólya ، "بعض التفاوتات البسيطة التي تفي بالوظائف المحدبة ،" رسول الرياضيات 58 ، 145-152 (1929).

[36] H. Joe ، "ترتيب التبعية لتوزيع k-tuples ، مع تطبيقات لألعاب lotto ،" المجلة الكندية للإحصاء 15 ، 227-238 (1987).
الشبكي: / / doi.org/ 10.2307 / 3314913

[37] شور ، "Uber eine Klasse von Mittelbildungen mit Anwendungen die Determinanten ،" Sitzungsberichte der Berliner Mathematischen Gesellschaft 22، 416–427 (1923).

[38] روبرتس ودي فاربيرج ، "وظائف محدبة". مطبعة أكاديمية نيويورك ، 1973.
https:/​/​doi.org/​10.1016/​B978-0-444-89597-4.50013-5

[39] A. Rényi ، "حول مقاييس الانتروبيا والمعلومات ،" في وقائع ندوة بيركلي الرابعة حول الإحصاء الرياضي والاحتمالية ، المجلد 1: مساهمات في نظرية الإحصاء ، المجلد. 4 ، ص 547-562 ، مطبعة جامعة كاليفورنيا. 1961.

[40] Y. He و AB Hamza و H. Krim ، "مقياس تباعد معمم لتسجيل قوي للصور ،" معاملات IEEE على معالجة الإشارات 51 ، 1211-1220 (2003).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TSP.2003.810305

[41] جي في ريف ، "وظائف مدارات $ L ^ 1 $ - في ظل التحولات العشوائية المزدوجة ،" معاملات الجمعية الرياضية الأمريكية 117 ، 92-100 (1965).
الشبكي: / / doi.org/ 10.2307 / 1994198

[42] بهرامي ، إس إم مانجاني ، وس. معين ، "العوامل العشوائية شبه المزدوجة وتخصص الوظائف المتكاملة" ، نشرة الجمعية الماليزية للعلوم الرياضية 44 ، 693-703 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s40840-020-00971-2

[43] SM Manjegani و S. Moein ، "عوامل التشغيل العشوائية والتخصص شبه المتكافئة على $ L ^ {1} (X) $ ،" مجلة عدم المساواة والتطبيقات 2023 ، 1-20 (2023).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1186 / s13660-023-02935 زي

[44] I. Biaynicki-Birula و J. Mycielski ، "علاقات عدم اليقين لانتروبيا المعلومات في ميكانيكا الموجات ،" الاتصالات في الفيزياء الرياضية 44 ، 129-132 (1975).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1007 / BF01608825

[45] أ. ويرل ، "الخصائص العامة للإنتروبيا ،" مراجعات للفيزياء الحديثة 50 ، 221 (1978).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.50.221

[46] إي إتش ليب ، "إثبات إنتروبيا حدسية ويرل ،" في المتباينات ، ص 359-365. سبرينغر ، 2002.
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-642-55925-9_30

[47] EH Lieb و JP Solovej ، "دليل على حدسية الإنتروبيا لحالات الدوران المتماسكة Bloch وتعميماتها" ، Acta Mathematica 212 ، 379 (2014).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s11511-014-0113-6

[48] JR Johansson ، PD Nation ، و F. Nori ، "QuTiP: إطار عمل Python مفتوح المصدر لديناميات أنظمة الكم المفتوحة ،" Computer Physics Communications 183 ، 1760-1772 (2012).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1016 / j.cpc.2012.02.021

[49] K. Życzkowski ، P. Horodecki ، A. Sanpera ، و M. Lewenstein ، "حجم مجموعة الحالات القابلة للفصل ،" Physical Review A 58 ، 883 (1998).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.58.883

دليلنا يستخدم من قبل

[1] نونو كوستا دياس وجواو نونو براتا ، "حول تخمين حديث لـ Z. Van Herstraeten و NJ Cerf عن إنتروبيا Wigner الكمومية" ، أرخايف: 2303.10531, (2023).

[2] زاكاري فان هيرستريتن ونيكولاس ج. سيرف ، "إنتروبيا كوانتوم وينر" ، Physical Review A 104 4، 042211 (2021).

[3] مارتن جارتنر ، وتوبياس هاس ، ويوهانس نول ، "اكتشاف التشابك المتغير المستمر في فضاء الطور باستخدام التوزيع $ Q $" ، أرخايف: 2211.17165, (2022).

الاستشهادات المذكورة أعلاه من إعلانات ساو / ناسا (تم آخر تحديث بنجاح 2023-05-24 11:54:34). قد تكون القائمة غير كاملة نظرًا لأن جميع الناشرين لا يقدمون بيانات اقتباس مناسبة وكاملة.

لا يمكن أن تجلب استشهد تبادل البيانات أثناء آخر محاولة 2023-05-24 11:54:33: لا يمكن جلب البيانات المستشهد بها من 10.22331 / q-2023-05-24-1021 من Crossref. هذا أمر طبيعي إذا تم تسجيل DOI مؤخرًا.

الطابع الزمني:

اكثر من مجلة الكم