Dalam bahagian pelajaran ini, kita akan membincangkan kesetiaan antara keadaan kuantum, yang merupakan ukuran persamaan mereka β atau sejauh mana mereka "bertindih."
Diberikan dua vektor keadaan kuantum, kesetiaan antara keadaan tulen yang dikaitkan dengan vektor keadaan kuantum ini sama dengan nilai mutlak hasil darab dalam antara vektor keadaan kuantum.
Ini memberikan cara asas untuk mengukur persamaan mereka: hasilnya adalah nilai antara 0 dan 1, dengan nilai yang lebih besar menunjukkan persamaan yang lebih besar.
Khususnya, nilainya adalah sifar untuk keadaan ortogon (mengikut takrifan), manakala nilainya adalah 1 untuk keadaan yang setara hingga fasa global.
Secara intuitif, kesetiaan boleh dilihat sebagai perluasan ukuran persamaan asas ini, daripada vektor keadaan kuantum kepada matriks ketumpatan.
Wajar untuk bermula dengan takrifan kesetiaan.
Pada pandangan pertama, takrifan yang berikut mungkin kelihatan tidak biasa atau misteri, dan mungkin tidak mudah untuk digunakan.
Fungsi yang ditakrifkannya, bagaimanapun, ternyata mempunyai banyak sifat menarik dan pelbagai rumusan alternatif, menjadikannya jauh lebih mudah digunakan daripada yang mungkin kelihatan pada awalnya.
Takrifan
Biar Ο dan Ο menjadi matriks ketumpatan yang mewakili keadaan kuantum sistem yang sama.
Kesetiaan antara Ο dan Ο ditakrifkan sebagai
F(Ο,Ο)=TrΟβΟΟββ.
Catatan
Walaupun ini adalah takrifan yang lazim, juga lazim bahawa kesetiaan ditakrifkan sebagai kuasa dua daripada kuantiti yang ditakrifkan di sini, yang kemudiannya disebut sebagai kesetiaan punca.
Tiada satu takrifan yang betul atau salah β pada dasarnya ia adalah soal pilihan.
Namun, seseorang mesti selalu berhati-hati untuk memahami atau menjelaskan takrifan mana yang sedang digunakan.
Untuk memahami formula dalam takrifan, perhatikan pertama bahawa ΟβΟΟβ adalah matriks positif semidefinit:
ΟβΟΟβ=Mβ M
untuk M=ΟβΟβ.
Seperti semua matriks positif semidefinit, matriks positif semidefinit ini mempunyai punca kuasa dua positif semidefinit yang unik, yang surihannya adalah kesetiaan.
Untuk setiap matriks persegi M, nilai eigen bagi dua matriks positif semidefinit Mβ M dan MMβ adalah selalu sama, dan oleh itu perkara yang sama adalah benar untuk punca kuasa dua matriks ini.
Memilih M=ΟβΟβ dan menggunakan fakta bahawa surih matriks persegi adalah jumlah nilai eigennya, kita mendapati bahawa
Cara setara untuk menyatakan kesetiaan adalah dengan formula ini:
F(Ο,Ο)=βΟβΟββ1β.
Di sini kita melihat norma surih, yang kita jumpai dalam pelajaran sebelumnya dalam konteks pembezaan keadaan.
Norma surih bagi matriks M (tidak semestinya persegi) boleh ditakrifkan sebagai
β₯Mβ₯1β=TrMβ Mβ,
dan dengan menerapkan takrifan ini pada matriks ΟβΟβ kita mendapat formula dalam takrifan.
Cara alternatif untuk menyatakan norma surih bagi matriks (persegi) M adalah melalui formula ini.
β₯Mβ₯1β=UunitarymaxββTr(MU)β.
Di sini maksimum adalah ke atas semua matriks unitarU yang mempunyai bilangan baris dan lajur yang sama dengan M.
Menerapkan formula ini dalam situasi semasa mendedahkan ungkapan lain bagi kesetiaan.
Satu perkara terakhir tentang takrifan kesetiaan ialah setiap keadaan tulen (sebagai matriks ketumpatan) adalah sama dengan punca kuasa duanya sendiri, yang membolehkan formula kesetiaan dipermudahkan dengan ketara apabila satu atau kedua-dua keadaan adalah tulen.
Khususnya, jika salah satu daripada dua keadaan adalah tulen kita mempunyai formula berikut.
Jika kedua-dua keadaan adalah tulen, formula tersebut dipermudahkan kepada nilai mutlak hasil darab dalam bagi vektor keadaan kuantum yang sepadan, seperti yang disebutkan pada awal bahagian ini.
Kesetiaan mempunyai banyak sifat yang luar biasa dan beberapa rumusan alternatif.
Berikut adalah hanya beberapa sifat asas yang disenaraikan tanpa bukti.
Untuk mana-mana dua matriks ketumpatan Ο dan Ο yang bersaiz sama, kesetiaan F(Ο,Ο) terletak antara sifar dan satu: 0β€F(Ο,Ο)β€1. Adalah benar bahawa F(Ο,Ο)=0 jika dan hanya jika Ο dan Ο mempunyai imej yang ortogon (jadi mereka boleh dibezakan tanpa ralat), dan F(Ο,Ο)=1 jika dan hanya jika Ο=Ο.
Kesetiaan adalah multiplikatif, bermakna kesetiaan antara dua keadaan hasil adalah sama dengan hasil darab kesetiaan individu:
F(Ο1βββ―βΟmβ,Ο1βββ―βΟmβ)=F(Ο1β,Ο1β)β―F(Οmβ,Οmβ).
Kesetiaan antara keadaan adalah tidak berkurang di bawah tindakan sebarang saluran. Iaitu, jika Ο dan Ο adalah matriks ketumpatan dan Ξ¦ adalah saluran yang boleh mengambil kedua-dua keadaan ini sebagai input, maka semestinya
F(Ο,Ο)β€F(Ξ¦(Ο),Ξ¦(Ο)).
Ketaksamaan Fuchs-van de Graaf menetapkan hubungan yang rapat (walaupun tidak tepat) antara kesetiaan dan jarak surih: untuk mana-mana dua keadaan Ο dan Ο kita mempunyai
1β21ββ₯ΟβΟβ₯1ββ€F(Ο,Ο)β€1β41ββ₯ΟβΟβ₯12ββ.
Sifat terakhir boleh dinyatakan dalam bentuk rajah:
Secara khusus, untuk sebarang pilihan keadaan Ο dan Ο bagi sistem yang sama, garis mendatar yang melintasi paksi y pada F(Ο,Ο) dan garis menegak yang melintasi paksi x pada 21ββ₯ΟβΟβ₯1β mesti bersilang dalam kawasan kelabu yang bersempadan di bawah oleh garis y=1βx dan di atas oleh bulatan unit.
Kawasan yang paling menarik dalam rajah ini dari sudut praktikal adalah sudut kiri atas kawasan kelabu:
jika kesetiaan antara dua keadaan hampir satu, maka jarak surih mereka hampir sifar, dan begitu juga sebaliknya.
Seterusnya kita akan melihat fakta yang mudah tetapi penting, yang dikenali sebagai lema pengukuran lembut, yang menghubungkan kesetiaan dengan pengukuran tidak musnah.
Ini adalah lema yang sangat berguna yang muncul dari semasa ke semasa, dan ia juga patut diberi perhatian kerana takrifan kesetiaan yang kelihatan rumit sebenarnya memudahkan pembuktian lema ini.
Persediaannya adalah seperti berikut.
Biar X menjadi sistem dalam keadaan Ο dan biar {P0β,β¦,Pmβ1β} menjadi koleksi matriks positif semidefinit yang mewakili pengukuran umum bagi X.
Andaikan lebih lanjut bahawa jika pengukuran ini dilakukan ke atas sistem X semasa ia berada dalam keadaan Ο, salah satu hasil adalah sangat mungkin.
Untuk konkrit, mari kita andaikan bahawa hasil pengukuran yang mungkin itu ialah 0, dan khususnya mari kita andaikan bahawa
Tr(P0βΟ)>1βΞ΅
untuk nombor nyata positif yang kecil Ξ΅>0.
Apa yang lema pengukuran lembut nyatakan ialah, di bawah andaian ini, pengukuran tidak musnah yang diperoleh daripada {P0β,β¦,Pmβ1β} melalui teorem Naimark hanya menyebabkan gangguan kecil kepada Ο apabila hasil pengukuran yang mungkin 0 diperhatikan.
Lebih khusus lagi, lema menyatakan bahawa kuasa dua kesetiaan antara Ο dan keadaan yang kita peroleh daripada pengukuran tidak musnah, bersyarat pada hasil 0, adalah lebih besar daripada 1βΞ΅.
Kini kita boleh membuktikan lema pengukuran lembut dengan menilai kesetiaan dan kemudian menggunakan ketaksamaan kita.
Pertama, mari kita permudahkan ungkapan yang kita minati.
Perhatikan bahawa semua ini adalah kesaksamaan β kita belum menggunakan ketaksamaan kita (atau ketaksamaan lain) pada ketika ini, jadi kita mempunyai ungkapan tepat untuk kesetiaan.
Kita kini boleh menggunakan ketaksamaan kita untuk menyimpulkan