Jak pokazać, że stan dwóch kubitów jest stanem splątanym?


18

Stan dzwonu jest stanem splątanym. Ale dlaczego tak jest? Jak mam to matematycznie udowodnić?|Φ+⟩=12(|00⟩+|11⟩)

Odpowiedzi:


19

Definicja


Stan dwóch kubitów jest stanem splątanym wtedy i tylko wtedy, gdy nie istnieją dwa stany kubitowe i takie, że , gdzie oznacza iloczyn tensora, a .| ⟩ = a- | 0 ⟩ + beta | 1 ⟩ ∈ C 2 | b ⟩ = gamma | 0 ⟩ + X | 1 ⟩ ∈ C 2 | ⟩ ⊗ | b ⟩ = | * F ⟩ ⊗ a- , β , γ , X ∈ C|ψ⟩∈C4|a⟩=α|0⟩+β|1⟩∈C2|b⟩=γ|0⟩+λ|1⟩∈C2|a⟩⊗|b⟩=|ψ⟩⊗α,β,γ,λ∈C

Aby więc pokazać, że stan Bell jest stanem splątanym, musimy po prostu pokaż, że nie istnieją dwa stany w jednym kubicie i tak że .|Φ+⟩=12(|00⟩+|11⟩)|a⟩|b⟩|Φ+⟩=|a⟩⊗|b⟩

Dowód


Przypuszczam, że

|Φ+⟩=|a⟩⊗|b⟩=(α|0⟩+β|1⟩)⊗(γ|0⟩+λ|1⟩)

Możemy teraz po prostu zastosować właściwość dystrybucyjną w celu uzyskania

|Φ+⟩=⋯=(αγ|00⟩+αλ|01⟩+βγ|10⟩+βλ|11⟩)

Musi to być równa , to znaczy musimy znaleźć współczynniki , , i , takie żea-betayX12(|00⟩+|11⟩)αβγλ

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

Zauważ, że w wyrażeniu , chcemy zachować oba i . Dlatego też i , które są współczynnikami , nie mogą wynosić zero; innymi słowy, musimy mieć i . Podobnie i , które są liczbami zespolonymi mnożącymi nie mogą być zerowe, tj. i . Wszystkie liczby zespolone| 00 ⟩ | 11 ⟩ a- y | 00 ⟩ a- ≠ 0 y ≠ 0 beta X | 11 ⟩ beta ≠ 0 X ≠ 0 a- beta y Xαγ|00⟩+αλ|01⟩+βγ|10⟩+βλ|11⟩|00⟩|11⟩αγ|00⟩α≠0γ≠0βλ|11⟩β≠0λ≠0α , , i muszą być różne od zera.βγλ

Ale aby uzyskać stan Bell , chcemy pozbyć się i . Tak więc, jedna z liczb (lub obu) mnożących (i ) w wyrażeniu , tj. i (oraz odpowiednio i ), muszą być równe zero. Ale właśnie widzieliśmy, że , , i| 01 ⟩ | 10 ⟩ | 01 ⟩ | 10 ⟩ a- y | 00 ⟩ + a- X | 01 ⟩ + beta gamma | 10 ⟩ + beta X | 11 ⟩ a- X beta y a- beta y X a- beta y X|Φ+⟩|01⟩|10⟩|01⟩|10⟩αγ|00⟩+αλ|01⟩+βγ|10⟩+βλ|11⟩αλβγαβγλmuszą być różne od zera. Tak więc, nie można znaleźć kombinację liczb zespolonych , , i taki sposób, żeαβγλ

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

Innymi słowy, nie jesteśmy w stanie wyrazić jako iloczynu tensora dwóch stanów jednububitowych. Dlatego jest stanem splątanym.| Φ + ⟩|Φ+⟩|Φ+⟩

Możemy wykonać podobny dowód dla innych stanów Bell lub ogólnie, jeśli chcemy udowodnić, że stan jest zaplątany.


2
Wow, odpowiedziałeś na swoje pytanie pięknym, zrozumiałym dowodem. Nie coś, co widzisz na co dzień. To pomogło mi podziękować.
— YungGun,

11

Dwa czyste stany qudit można rozdzielić, tylko wtedy, gdy można je zapisać w postaci dla dowolnych pojedynczych stanów qudit i . W przeciwnym razie jest zaplątany.

|Ψ⟩=|ψ⟩|ϕ⟩
|ψ⟩|ϕ⟩

Aby ustalić, czy stan czysty jest zaplątany, można spróbować zastosować metodę brutalnej siły, aby znaleźć satysfakcjonujące stany i , jak w tej odpowiedzi. Jest to nieeleganckie i ciężka praca w ogólnym przypadku. Bardziej prosty sposób wykazać, czy czysty stan uwikłana jest Oblicz zmniejszonej gęstości matrycy jednego z qudits tj śledząc na drugiej. Stan można oddzielić, tylko wtedy, gdy ma rangę 1. W przeciwnym razie jest splątany. Matematycznie możesz przetestować warunek rangi, po prostu oceniając|ψ⟩|ϕ⟩ρ ρ Tr ( ρ 2 )ρρTr(ρ2). Stan pierwotny można rozdzielić, jeśli tylko ta wartość wynosi 1. W przeciwnym razie stan jest splątany.

Wyobraźmy sobie na przykład, że można oddzielić stan . Macierz o zmniejszonej gęstości na to i Mamy zatem stan oddzielny.|Ψ⟩=|ψ⟩|ϕ⟩A

ρA=TrB(|Ψ⟩⟨Ψ|)=|ψ⟩⟨ψ|,
Tr(ρA2)=Tr(|ψ⟩⟨ψ|⋅|ψ⟩⟨ψ|)=Tr(|ψ⟩⟨ψ|)=1.

Tymczasem jeśli weźmiemy , to i Ponieważ ta wartość nie jest równa 1, mamy stan splątany.|Ψ⟩=12(|00⟩+|11⟩)

ρA=TrB(|Ψ⟩⟨Ψ|)=12(|0⟩⟨0|+|1⟩⟨1|)=12I
Tr(ρA2)=14Tr(I⋅I)=12

Jeśli chcesz wiedzieć o wykrywaniu splątania w stanach mieszanych (nie czystych), jest to mniej proste, ale w przypadku dwóch kubitów istnieje konieczny i wystarczający warunek separowalności: dodatni w ramach operacji częściowej transpozycji .


+1 Jest to znacznie bardziej elegancka metoda w porównaniu do algorytmu brutalnej siły.
— Sanchayan Dutta

Co to są i ? Czy to tylko same qudity? B.AB
— Dohleman

@Dohleman Tak, to tylko etykiety dla dwóch części systemu, jednej części trzymanej przez A (Alice), a drugiej przez B (Bob). W tym przypadku są to dwie qudity.
— DaftWullie
Korzystając z naszej strony potwierdzasz, że przeczytałeś(-aś) i rozumiesz nasze zasady używania plików cookie i zasady ochrony prywatności.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.