Bazele ortonormale ale cuantiștii extreme

Bazele ortonormale ale cuantiștii extreme

Marcin Rudziński1,2, Adam Burchardt3, și Karol Życzkowski1,4

1Facultatea de Fizică, Astronomie și Informatică Aplicată, Universitatea Jagiellonian, ul. Łojasiewicza 11, 30-348 Cracovia, Polonia
2Școala Doctorală de Științe Exacte și ale Naturii, Universitatea Jagielloniană, ul. Łojasiewicza 11, 30-348 Cracovia, Polonia
3QuSoft, CWI și Universitatea din Amsterdam, Science Park 123, 1098 XG Amsterdam, Țările de Jos
4Centrul pentru Fizică Teoretică, Academia Polonă de Științe, Al. Lotników 32/46, 02-668 Warszawa, Polonia

Găsiți această lucrare interesant sau doriți să discutați? Scite sau lasă un comentariu la SciRate.

Abstract

Stările anticoerente de spin au căpătat recent o mare atenție ca fiind cele mai „cuantice” stări. Unele stări de spin coerente și anticoerente sunt cunoscute ca rotosenzori cuantici optimi. În această lucrare, introducem o măsură de cuantum pentru bazele ortonormale ale stărilor de spin, determinată de anticoerența medie a vectorilor individuali și de entropia Wehrl. În acest fel, identificăm cele mai coerente și cele mai cuantice stări, care duc la măsurători ortogonale ale cuanticei extreme. Simetriile lor pot fi dezvăluite folosind reprezentarea stelară Majorana, care oferă o reprezentare geometrică intuitivă a unei stări pure prin puncte de pe o sferă. Rezultatele obținute conduc la baze maxim (minim) încurcate în subspațiul simetric dimensional $2j+1$ al spațiului dimensional $2^{2j}$ al stărilor sistemelor multipartite compuse din $2j$ qubiți. Unele baze găsite sunt izo-coerente deoarece constau din toate stările cu același grad de coerență de spin.

Stările extreme, coerente și anticoerente, au aplicații practice în metrologia cuantică ca rotosenzori optimi. Această lucrare oferă o extensie naturală a studiilor anterioare referitoare la căutarea unor astfel de stări propunând măsurători ortogonale optime ale lui Lüders și von Neumann ale coerenței spinului extrem. Introducem măsura $mathcal{B}_t$ ca instrument pentru a caracteriza cuanitatea unei măsurători dată de o bază în $mathcal{H}_N$. Se efectuează căutarea celor mai multe baze cuantice pentru $N=3,4,5$ și $7$. Rezultatele numerice sugerează că soluțiile obținute sunt unice. Pentru $N=3,4,5,6$ este indicat un set de candidați pentru bazele „clasice” constând din cele mai coerente stări de spin. Unele dintre cele mai cuantice baze, analizate în reprezentarea stelară a Majoranei, dezvăluie simetrii ale solidelor platonice. Majoritatea bazelor clasice prezintă și ele structuri simetrice. De asemenea, am luat în considerare și alte măsuri ale cuanticității vectorilor care formează o bază dată. Optimizarea entropiei medii Wehrl a $N$ vectori ortogonali conduce la aceleași baze distinse prin valori extreme ale mărimilor $mathcal{B}_t$, cu o singură excepție a bazei cuantice pentru $N=6$.

► Date BibTeX

► Referințe

[1] T. Frankel, Geometria fizicii: o introducere, ed. a 3-a, Cambridge University Press (2011).
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9781139061377

[2] D. Chruściński și A. Jamiołkowski, Faze geometrice în mecanica clasică și cuantică, Birkhäuser (2004).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-0-8176-8176-0

[3] DA Lee, relativitatea geometrică, Societatea Americană de Matematică, Providence (2021).
https: / / doi.org/ 10.1090 / gsm / 201

[4] I. Bengtsson și K. Życzkowski, Geometry of Quantum States: An Introduction to Quantum Entanglement, Ed. a doua, Cambridge University Press (2).
https: / / doi.org/ 10.1017 / 9781139207010

[5] M. Lewin, Metode geometrice pentru sisteme cuantice neliniare cu mai multe corpuri, J. Functional Analysis 260, 12, (2011).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.jfa.2010.11.017

[6] E. Cohen, H. Larocque, F. Bouchard et al., Faza geometrică de la Aharonov–Bohm până la Pancharatnam–Berry și dincolo, Nat. Rev. Fiz. 1, 437–449 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s42254-019-0071-1

[7] E. Majorana Atomi orientati in campo magnetico variable, Nuovo Cimento 9, 43-50 (1932).
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF02960953

[8] R. Barnett, A. Turner și E. Demler, Clasificarea fazelor noi ale atomilor de spinor, Phys. Rev. Lett. 97, 180412 (2006).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.97.180412

[9] R. Barnett, A. Turner și E. Demler, Clasificarea vortexurilor în $S=3$ condensate Bose-Einstein, Phys. Rev. A 76, 013605 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.76.013605

[10] H. Mäkelä și K.-A. Suominen, Stări inerte ale sistemelor spin-s, Phys. Rev. Lett. 99, 190408 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.99.190408

[11] E. Serrano-Ensástiga și F. Mireles, Caracterizarea fază a condensului spinor Bose-Einstein: o abordare a reprezentării stelare Majorana, Phys. Lett. A 492, 129188 (2023).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.physleta.2023.129188

[12] P. Mathonet și colab., Echivalența întâlcirii a stărilor simetrice $N$-qubit, Phys. Rev. A 81, 052315 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.81.052315

[13] J. Martin, O. Giraud, PA Braun, D. Braun și T. Bastin, Multiqubit symmetric states with high geometric entanglement, Phys. Rev. A 81, 062347 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.81.062347

[14] M. Aulbach, DJH Markham și M. Murao, The maximally entangled symmetric state in terms of the geometric measure, New J. Phys. 12, 073025 (2010).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​12/​7/​073025

[15] DJH Markham, Entanglement and simetrie in permutation-symmetric states, Phys. Rev. A 83, 042332 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.83.042332

[16] P. Ribeiro, și R. Mosseri, Entanglement in the symmetric sector of $n$ qubits, Phys. Rev. Lett. 106, 180502 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.106.180502

[17] M.Aulbach, Clasificarea încurcăturii în stări simetrice, Int. J. Quantum Inform. 10, 1230004 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1142 / S0219749912300045

[18] W. Ganczarek, M. Kuś și K. Życzkowski, Barycentric measure of quantum entanglement, Phys. Rev. A 85, 032314 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.85.032314

[19] A. Mandilara, T. Coudreau, A. Keller și P. Milman, Entanglement classification of pure symmetric states via spin coerent states, Phys. Rev. A 90, 050302(R) (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.90.050302

[20] P. Hyllus, colab., Fisher information and multiparticle entanglement, Phys. Rev. A 85, 022321 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.85.022321

[21] JH Hannay, Faza Berry pentru spin în reprezentarea Majorana, J. Phys. A: Matematică. Gen. 31, L53 (1998).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0305-4470/​31/​2/​002

[22] P. Bruno, Faza geometrică cuantică în reprezentarea stelară a lui Majorana: cartografierea pe o fază Aharov-Bohm cu mai multe corpuri, Phys. Rev. Lett. 108, 240402 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.108.240402

[23] HD Liu și LB Fu, faza Berry și întricarea cuantică în reprezentarea stelară a Majoranei, Phys. Rev. A 94, 022123 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.94.022123

[24] P. Ribeiro, J. Vidal și R. Mosseri, Thermodynamical limit of the Lipkin-Meshkov-Glick model, Phys. Rev. Lett. 99, 050402 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.99.050402

[25] P. Ribeiro, J. Vidal și R. Mosseri, Spectru exact al modelului Lipkin-Meshkov-Glick în limita termodinamică și corecții de dimensiune finită, Phys. Rev. E 78, 021106 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.78.021106

[26] J. Zimba, Stări de spin „Anticoerente” prin Reprezentarea Majorana, Electron. J. Theor. Fiz. 3, 143 (2006).
https://​/​api.semanticscholar.org/​CorpusID:13938120

[27] D. Baguette, T. Bastin și J. Martin, Stări simetrice Multiqubit cu reduceri maximal mixte de un qubit, Phys. Rev. A 90, 032314 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.90.032314

[28] O. Giraud, D. Braun, D. Baguette, T. Bastin și J. Martin, Tensor representation of spin states, Phys. Rev. Lett. 114, 080401 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.114.080401

[29] D. Baguette, F. Damanet, O. Giraud și J. Martin, Anticoherence of spin states with point-group symmetries, Phys. Rev. A 92, 052333 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.92.052333

[30] HD Liu, LB Fu, X. Wang, Coherent-state approach for Majorana representation, Commun. Theor. Fiz. 67, 611 (2017).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0253-6102/​67/​6/​611

[31] D. Baguette și J. Martin, Măsuri de anticoerență pentru stări de spin pur, Phys. Rev. A 96, 032304 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.96.032304

[32] P. Kolenderski și R. Demkowicz-Dobrzański, Starea optimă pentru menținerea cadrelor de referință aliniate și solidele platonice, Phys. Rev. A 78, 052333 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.78.052333

[33] C. Chryssomalakos și H. Hernández-Coronado, Rotosenzori cuantici optimi, Phys. Rev. A 95, 052125 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.95.052125

[34] AZ Goldberg și DFV James, Măsurătorile unghiului Euler limitate cuantic folosind stări anticoerente, Phys. Rev. A 98, 032113 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.032113

[35] J. Martin, S. Weigert și O. Giraud, Optimal detection of rotations about unknown axes by coerent and anticoerent states, Quantum 4, 285 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2020-06-22-285

[36] J. Crann, DW Kribs și R. Pereira, Spherical designs and anticoerent spin states, J. Phys. A: Matematică. Theor. 43, 255307 (2010).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1751-8113/​43/​25/​255307

[37] E. Bannai și M. Tagami, A note on anticoerent spin states, J. Phys. A: Matematică. Theor. 44, 342002 (2011).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1751-8113/​44/​34/​342002

[38] M. Wang și Y. Zhu, Stări anticoerente spin-2 și modele sferice, J. Phys. A: Matematică. Theor. 55, 425304 (2022).
https://​/​doi.org/​10.1088/​1751-8121/​ac971d

[39] AZ Goldberg, AB Klimov, M.Grassl, G. Leuchs și LL Sánchez-Soto, Stări cuantice extreme, AVS Quantum Sci. 2, 044701 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1116 / 5.0025819

[40] AZ Goldberg, M. Grassl, G. Leuchs și LL Sánchez-Soto, Quantumness beyond entanglement: The case of symmetric states, Phys. Rev. A 105, 022433 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.105.022433

[41] O. Giraud, P. Braun și D. Braun, Quantifying quantumness and the quest for Queens of Quantum, New J. Phys. 12, 063005 (2010).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​12/​6/​063005

[42] R. Delbourgo, Stări de incertitudine minimă pentru grupul de rotație și grupurile aliate, J. Phys. A 10, L233 (1977).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0305-4470/​10/​11/​012

[43] A. Wehrl, Despre relația dintre entropia clasică și mecanică cuantică, Rep. Math. Fiz. 16, 353 (1979).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​0034-4877(79)90070-3

[44] EH Lieb, Dovada unei conjecturi de entropie a lui Wehrl, Commun. Matematică. Fiz. 62, 35 (1978).
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF01940328

[45] CT Lee, Entropia lui Wehrl a stărilor de spin și conjectura lui Lieb, J. Phys. A 21, 3749 (1988).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0305-4470/​21/​19/​013

[46] EH Lieb și JP Solovej, Dovada unei conjecturi de entropie pentru stările de spin coerente Bloch și generalizările sale, Acta Math. 212, 379 (2014).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s11511-014-0113-6

[47] F. Bouchard, at al., Quantum metrology at the limit with extremal Majorana constellations, Optica 4, 1429-1432 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OPTICA.4.001429

[48] A. Wehrl, Proprietăți generale ale entropiei, Rev. Mod. Fiz. 50, 221 (1978).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.50.221

[49] A. Wehrl, The many facets of entropy, Rep. Math. Fiz. 30, 119 (1991).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​0034-4877(91)90045-O

[50] S. Gnutzmann și K. Życzkowski, Entropiile Renyi-Wehrl ca măsuri de localizare în spațiul de fază, J. Phys. A 34, 10123 (2001).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0305-4470/​34/​47/​317

[51] K. Życzkowski, Localization of eigenstates and mean Wehrl entropy, Physica E 9, 583 (2001).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​S1386-9477(00)00266-6

[52] LL Sánchez-Soto, AB Klimov, P. de la Hoz și G. Leuchs, Quantum versus classical polarization states: when multipoles count, J. Phys. B 46 104011 (2013).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0953-4075/​46/​10/​104011

[53] A. Tavakoli și N. Gisin, Solidele platonice și testele fundamentale ale mecanicii cuantice, Quantum 4, 293 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2020-07-09-293

[54] H.Ch. Nguyen, S. Designolle, M. Barakat și O. Gühne, Symmetries between measurements in quantum mechanics, preprint arXiv:2003.12553 (2022).
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2003.12553
arXiv: 2003.12553

[55] JI Latorre și G. Sierra, Platonic entanglement, Quantum Inf. Calculator. 21, 1081 (2021).
https: / / doi.org/ 10.26421 / QIC21.13-14-1

[56] K. Bolonek-Lasoń și P. Kosiński, Groups, Platonic Solids and Bell inequalities, Quantum 5, 593 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-11-29-593

[57] KF Pál și T. Vértesi, Groups, Platonic Bell inequalities for all dimensions, Quantum 6, 756 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-07-07-756

[58] RH Dicke, Coerența în procesele de radiații spontane, Phys. Rev. 93, 99 (1954).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRev.93.99

[59] V. Karimipour și L. Memarzadeh, Equientangled bases in arbitrary dimensions Phys. Rev. A 73, 012329 (2006).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.73.012329

[60] G. Rajchel, A. Gąsiorowski și K. Życzkowski, Matrici robuste Hadamard, raze unistohastice în politopul Birkhoff și baze echi-încurcate în spații compozite Math. Comp. Sci. 12, 473 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1007 / s11786-018-0384-y

[61] J. Czartowski, D. Goyeneche, M. Grassl și K. Życzkowski, Isoentangled mutually unbiased bases, simetric quantum measurements, and mixed-state designs, Phys. Rev. Lett. 124, 090503 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.124.090503

[62] F. Del Santo, J. Czartowski, K. Życzkowski și N. Gisin, Iso-entangled bases and joint measurements, preprint arXiv:2307.06998 (2023).
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2307.06998
arXiv: 2307.06998

[63] R. Penrose, On Bell non-locality without probabilities: some curious geometry, Quantum Reflections (2000).

[64] J. Zimba și R. Penrose, On Bell non-locality without probabilities: More curious geometry, Stud. Hist. Phil. Sci. 24, 697 (1993).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​0039-3681(93)90061-N

[65] JE Massad și PK Aravind, Dodecaedrul Penrose revizuit, Am. J. Physics 67, 631 (1999).
https: / / doi.org/ 10.1119 / 1.19336

[66] K. Husimi, Some Formal Properties of the Density Matrix, Proc. Fiz. Matematică. Soc. 22, 264 (1940).
https: / / doi.org/ 10.11429 / ppmsj1919.22.4_264

[67] W. Słomczyński și K. Życzkowski, Mean dynamical entropy of quantum maps on the spheres diverges in the semiclassical limit, Phys. Rev. Lett. 80, 1880 (1998).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.80.1880

[68] M. Piotrak, M. Kopciuch, AD Fard, M. Smolis, S. Pustelny, K. Korzekwa, Perfect quantum protractors, preprint arXiv:2310.13045 (2023).
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2310.13045
arXiv: 2310.13045

[69] Site-ul web NCN Maestro 7 2015/​18/​A/​ST2/​00274 https:/​/​chaos.if.uj.edu.pl/​ karol/​Maestro7/​files/​data3/​Numerical_Results.dat.
https:/​/​chaos.if.uj.edu.pl/​~karol/​Maestro7/​files/​data3/​Numerical_Results.dat

[70] D. Weingarten, Comportamentul asimptotic al integralelor de grup în limita rangului infinit, J. Math. Fiz. 19, 999 (1978).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.523807

[71] B. Collins și P. Śniady, Integrarea cu privire la măsura Haar asupra grupului unitar, ortogonal și simplectic, comun. Matematică. Fiz. 264, 773 (2006).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s00220-006-1554-3

[72] G. Rajchel, Cartografii și modele cuantice, teză de doctorat, preprint arXiv:2204.13008 (2022).
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2204.13008
arXiv: 2204.13008

[73] D. Martin și EP Wigner, Teoria grupurilor și aplicarea ei la mecanica cuantică a spectrelor atomice, Academic Press Inc. NY (1959).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​b978-0-12-750550-3.x5001-0

Citat de

[1] Michał Piotrak, Marek Kopciuch, Arash Dezhang Fard, Magdalena Smolis, Szymon Pustelny și Kamil Korzekwa, „Protractori cuantici perfecți”, arXiv: 2310.13045, (2023).

[2] Aaron Z. Goldberg, „Correlații pentru subseturi de particule în stări simetrice: ce fac fotonii într-un fascicul de lumină când restul sunt ignorați”, arXiv: 2401.05484, (2024).

Citatele de mai sus sunt din ADS SAO / NASA (ultima actualizare cu succes 2024-01-25 23:58:21). Lista poate fi incompletă, deoarece nu toți editorii furnizează date de citare adecvate și complete.

On Serviciul citat de Crossref nu s-au găsit date despre citarea lucrărilor (ultima încercare 2024-01-25 23:58:19).

Timestamp-ul:

Mai mult de la Jurnalul cuantic