POVM

POVM

기능 분석양자 측정 이론에서, 양성 사업자 가치 측정(POVM)은 힐버트 공간양성 반확정 연산자 값을 갖는 척도다.POVM은 투영측정(PVM)의 일반화이며, 이에 상응하여, POVM에 의해 기술된 양자 측정은 PVM에 의해 기술된 양자 측정의 일반화(투영 측정이라고 함)이다.

대략적으로 보아, POVM은 PVM과 순수상태의 혼합상태다.혼합 상태는 더 큰 시스템의 서브시스템 상태를 지정하기 위해 필요하다(양자 상태의 정화 참조). 이와 유사하게, POVM은 더 큰 시스템에서 수행되는 투영적 측정의 서브시스템에 미치는 영향을 설명하기 위해 필요하다.

POVM은 양자역학에서 가장 일반적인 종류의 측정이며 양자장 이론에서도 사용될 수 있다.[1]그것들은 양자 정보 분야에서 광범위하게 사용된다.

정의

가장 간단한 경우, 한정된 수의 요소가 유한한 힐버트 공간에 작용하는 POVM의 경우 POVM은 힐버트 공간 에 있는 양의 반확정 행렬집합이다.[2]: 90

양자역학에서 POVM 요소 양자 상태 연관되어, 양자 상태 when {\에서 측정할 때 얻을 확률은 다음과 같다.

( )= ( F )

여기서 는) 추적 연산자다.측정할 양자 상태가 순수 상태 인 경우 이 공식은 다음과 같이 감소한다.

( )= ψ F )= { \angle \langle

POVM의 가장 단순한 경우는 PVM의 가장 단순한 사례로, ID 매트릭스를 합한 직교 프로젝터{ i 의 집합이다.

PVM에 대한 확률 공식은 POVM과 동일하다.중요한 차이점은 POVM의 요소가 반드시 직교하는 것은 아니라는 것이다.따라서 POVM의 요소 은(는) 해당 요소가 작용하는 힐버트 공간의 치수보다 클 수 있다.한편, PVM의 N{\의 수는 기껏해야 힐버트 공간의 차원이다.

일반적으로 POVM은 요소의 수와 힐버트 공간의 치수가 유한하지 않은 상황에서도 정의될 수 있다.

정의.Let be measurable space; that is is a σ-algebra of subsets of . A POVM is a function defined on whose values are bounded non-negative self-adjoint operators on a Hilbert space ( = I 모든 H {

σ-algebra {\}에 이 아닌 가법적 측정이다

Its key property is that it determines a probability measure on the outcome space, so that can be interpreted as the probability (density) of outcome when making a measurement on the quantum state .

이 정의는 투영측정의 정의와 대조되어야 하며, 투영 값 측정의 경우 의 값이 투영 연산자가 되어야 한다는 점을 제외하고는 이와 유사하다.

나이마르크의 팽창 정리

주: 이것의 대체 철자는 "Neumark의 정리"이다.

나이마크의 확장 정리[3] 더 큰 공간에 작용하는 PVM에서 POVM을 얻을 수 있는 방법을 보여준다.이 결과는 물리적으로 POVM 측정을 실현할 수 있는 방법을 제공하기 때문에 양자역학에서 매우 중요하다.[4]: 285

In the simplest case, of a POVM with a finite number of elements acting on a finite-dimensional Hilbert space, Naimark's theorem says that if is a POVM acting on a Hilbert space of dimension , then there exists a PVM acting on a Hilbert space of dimension and an isometry i {\ 대해

One way to construct such a PVM and isometry[5][6] is to let , , and

이 PVM으로 결과 을(를) 얻을 확률은 원래 POVM으로 적절하게 변환할 확률과 동일하다.

이 구조는 등위계 을(를) U 확장하여 POVM의 물리적 실현을 위한 레시피로 바꿀 수 있다.

이것은 언제나 할 수 있다.The recipe for realizing the POVM measurement described by on a quantum state is then to prepare an ancilla in the state , evolve it together with through the unit아리 , PVM{i i⟨ i i i i} i = i}^{n에 의해 설명된 안키야에서 투영 측정을 수행하십시오

Note that in this construction the dimension of the larger Hilbert space is given by . This is not the minimum possible, as a more complicated construction gives (assuming that [4]: 285

측정 후 상태

사후 측정 상태는 POVM 자체에 의해서가 아니라, 물리적으로 그것을 실현하는 PVM에 의해서 결정된다.동일한 POVM을 실현하는 PVM은 무한히 다양하기 때문에 사업자 {} = \{ 단독으로 측정 후 상태가 어떻게 될지는 결정하지 않는다.이를 확인하려면 단일 운영자의 경우

또한 = F 라는 속성을 가질 것이다. 등각계를 사용하도록

위의 구성에서 또한 동일한 POVM을 구현할 것이다.측정 대상 상태가 순수 상태 ⟩{\A}인 경우 결과 {\은(는) Ancilla와 함께 이를 사용하여 상태를 표시한다.

안치라에 대한 투영 측정은 measurement 상태로[2]: 84 축소된다.

결과 을(를) 얻었을 때측정 대상 상태를 밀도 행렬 A 로 설명할 때 해당 사후 측정 상태는 다음과 같이 주어진다.

.

따라서 측정 후 상태는 으로 단일W {\W}에 따라 달라지는 것을 알 수 있다

투영 측정과 또 다른 차이점은 POVM 측정은 일반적으로 반복할 수 없다는 것이다.첫 번째 측정 결과 을 얻은 경우, 두 번째 측정에서 다른 결과 i }을 얻을 확률은 다음과 같다.

,

(와) 1 {\ M_이(가) 직교하지 않으면 0이 아닐 수 있다.투영 측정에서 이러한 연산자는 항상 직교하므로 측정은 항상 반복 가능하다.

예: 모호하지 않은 양자 상태 차별

Bloch sphere representation of states (in blue) and optimal POVM (in red) for unambiguous quantum state discrimination on the states and . Note that on the Bloch s여기서 직교 상태는 반경직이다.

여러분이 알고 있는 2차원 Hilbert 공간의 양자 시스템이 상태{\} 또는 상태 {\에 있다고 가정해 보십시오If and are orthogonal, this task is easy: the set will form a PVM, and a projective measurement in this basis will determi확실히 국정을 회복하다그러나 {\ 이(가) 직교하지 않으면 PVM이나 POVM 중 어느 쪽도 확실하게 구별할 수 있는 측정치가 없다는 점에서 이 작업은 불가능하다.[2]: 87 비직교적 상태를 완벽하게 구분하는 것이 불가능하다는 것은 양자암호화, 양자코인 플립, 양자화폐양자정보 프로토콜의 기본이다.

모호하지 않은 양자 상태 차별(UQSD)의 과제는 차선책으로서, 때로는 결론에 도달하지 못한 결과를 초래하는 대가로 국가가 at 인지 아니면{\인지 결코 실수하지 않는 것이다.투영적인 측정으로 이것을 할 수 있다.[7]For example, if you measure the PVM , where is the quantum state orthogonal to , and obtain result , then you know with certainty that the state was . If the result was , then it is inconclusive.The analogous reasoning holds for the PVM , where is the state orthogonal to 을(를) 빛내다

그러나 이것은 만족스럽지 못하다. 단일한 측정으로 }을를) 모두 탐지할 수 없고 결정적인 결과를 얻을 확률은 POVMs보다 작기 때문이다. 이 작업에서 결정적인 결과의 가장 높은 확률을 제공하는 POVM은 giVM이다.을 존경하다.

Note that , so when outcome is obtained we are certain that the quantum state is 그리고 결과 {\(를) 얻었을 때 양자 상태는 φ {\ \ 임이 확실하다.

결정적인 결과를 얻을 확률은 다음과 같다.

양자 시스템이 동일한 확률로 state 상태 \ \\ {\인 경우.이 결과는 UQSD 연구를 개척한 저자들의 이름을 딴 이바노비치-딕스-페레스 한계로 알려져 있다.[9][10][11]

위의 구조를 사용하여 우리는 이 POVM을 물리적으로 실현하는 투영적 측정을 얻을 수 있다.POVM 요소의 제곱근은 다음과 같다.

어디에,

{\{\의 세 가지 가능한 안실라 상태 라벨 표시 displaystylerangele 상태 {\ {\text{}이( 확인됨은(는) 상태와 anicilla를 함께 표시함

그리고 이와 유사하게 을(를) 다음 항목과 함께 사용한다.

그런 다음, 안실라에 대한 측정은 POVM과 동일한 확률로 원하는 결과를 제공한다.

이 POVM은 광자의 비직교 편광 상태를 실험적으로 구별하기 위해 사용되었으며, 자유도 경로를 보조 도구로 사용했다.투영적 측정을 통한 POVM의 실현은 여기에서 설명한 것과 약간 달랐다.[12][13]

참고 항목

참조

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  2. ^ a b c M. 닐슨과 나.츄앙, Quantum Computing and Quantum Information, Cambridge University Press, (2000)
  3. ^ I. M. Gelfand와 M. A. Neumark, Hilbert 공간의 연산자 링에 규범 링의 내장, Rec. Math. [Mat. Sbornik] N.S. 12(54)(1943), 197–213.
  4. ^ a b A. 페레스.양자 이론: 개념과 방법.클루워 학술 출판사, 1993.
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  11. ^ Peres, Asher (1988). "How to differentiate between non-orthogonal states". Physics Letters A. Elsevier BV. 128 (1–2): 19. Bibcode:1988PhLA..128...19P. doi:10.1016/0375-9601(88)91034-1. ISSN 0375-9601.
  12. ^ B. Huttner; A. Muller; J. D. Gautier; H. Zbinden; N. Gisin (1996). "Unambiguous quantum measurement of nonorthogonal states". Physical Review A. APS. 54 (5): 3783. Bibcode:1996PhRvA..54.3783H. doi:10.1103/PhysRevA.54.3783. PMID 9913923.
  13. ^ R. B. M. Clarke; A. Chefles; S. M. Barnett; E. Riis (2001). "Experimental demonstration of optimal unambiguous state discrimination". Physical Review A. APS. 63 (4): 040305(R). arXiv:quant-ph/0007063. Bibcode:2001PhRvA..63d0305C. doi:10.1103/PhysRevA.63.040305.
  • POVM
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외부 링크