Fidelitas
Di bagian pelajaran ini, kita akan membahas fidelitas antara dua keadaan kuantum, yang merupakan ukuran kemiripan di antara keduanya β atau seberapa besar "tumpang tindihnya."
Diberikan dua vektor keadaan kuantum, fidelitas antara keadaan murni yang terkait dengan vektor-vektor tersebut sama dengan nilai absolut dari perkalian dalam antara kedua vektor itu. Ini memberikan cara dasar untuk mengukur kemiripan mereka: hasilnya adalah nilai antara dan dengan nilai yang lebih besar menunjukkan kemiripan yang lebih besar. Khususnya, nilainya nol untuk keadaan-keadaan yang ortogonal (berdasarkan definisi), sedangkan nilainya untuk keadaan-keadaan yang ekuivalen hingga fase global.
Secara intuitif, fidelitas dapat dilihat sebagai perluasan ukuran kemiripan dasar ini, dari vektor keadaan kuantum ke matriks densitas.
Definisi fidelitasβ
Tepat kiranya untuk memulai dengan definisi fidelitas. Pada pandangan pertama, definisi berikut mungkin terlihat tidak biasa atau misterius, dan mungkin tidak mudah untuk digunakan. Namun fungsi yang didefinisikannya ternyata memiliki banyak sifat menarik dan beberapa formulasi alternatif, sehingga jauh lebih nyaman digunakan daripada yang mungkin tampak pada awalnya.
Untuk memahami formula dalam definisi tersebut, perhatikan pertama bahwa adalah matriks semidefinit positif:
untuk Seperti semua matriks semidefinit positif, matriks semidefinit positif ini memiliki akar kuadrat semidefinit positif yang unik, yang tracenya adalah fidelitas.
Untuk setiap matriks persegi nilai eigen dari dua matriks semidefinit positif dan selalu sama, dan karenanya hal yang sama berlaku untuk akar kuadrat matriks-matriks tersebut. Memilih dan menggunakan fakta bahwa trace dari matriks persegi adalah jumlah nilai eigennya, kita menemukan bahwa
Jadi, meskipun tidak langsung terlihat dari definisi, fidelitas bersifat simetris dalam dua argumennya.
Fidelitas dalam hal trace normβ
Cara ekuivalen untuk mengekspresikan fidelitas adalah dengan formula ini:
Di sini kita melihat trace norm, yang kita temui di pelajaran sebelumnya dalam konteks diskriminasi keadaan. Trace norm dari matriks (yang tidak harus persegi) dapat didefinisikan sebagai
dan dengan menerapkan definisi ini pada matriks kita memperoleh formula dalam definisi tersebut.
Cara alternatif untuk mengekspresikan trace norm dari matriks (persegi) adalah melalui formula ini.
Di sini maksimum diambil atas semua matriks uniter yang memiliki jumlah baris dan kolom yang sama dengan Menerapkan formula ini pada situasi yang sedang dihadapi mengungkapkan ekspresi lain dari fidelitas.
Fidelitas untuk keadaan murniβ
Satu poin terakhir tentang definisi fidelitas adalah bahwa setiap keadaan murni (sebagai matriks densitas) sama dengan akar kuadratnya sendiri, yang memungkinkan formula fidelitas disederhanakan secara signifikan ketika salah satu atau kedua keadaan adalah murni. Khususnya, jika salah satu dari dua keadaan adalah murni, kita memiliki formula berikut.
Jika kedua keadaan adalah murni, formula tersebut disederhanakan menjadi nilai absolut dari perkalian dalam vektor keadaan kuantum yang bersesuaian, seperti yang disebutkan di awal bagian.
Sifat dasar fidelitasβ
Fidelitas memiliki banyak sifat yang luar biasa dan beberapa formulasi alternatif. Berikut adalah beberapa sifat dasar yang dicantumkan tanpa pembuktian.
- Untuk dua matriks densitas dan yang berukuran sama, fidelitas berada di antara nol dan satu: jika dan hanya jika dan memiliki citra yang ortogonal (sehingga keduanya dapat dibedakan tanpa kesalahan), dan jika dan hanya jika
- Fidelitas bersifat multiplikatif, artinya fidelitas antara dua keadaan produk sama dengan hasil kali fidelitas individual:
- Fidelitas antara keadaan-keadaan tidak berkurang di bawah aksi dari channel mana pun. Artinya, jika dan adalah matriks densitas dan adalah channel yang dapat mengambil kedua keadaan ini sebagai masukan, maka diperlukan bahwa
- Pertidaksamaan Fuchs-van de Graaf menetapkan hubungan yang erat (meski tidak tepat) antara fidelitas dan trace distance: untuk dua keadaan dan mana pun, kita memiliki
Sifat terakhir dapat diekspresikan dalam bentuk sebuah gambar:
Secara khusus, untuk setiap pilihan keadaan dan dari sistem yang sama, garis horizontal yang melewati sumbu pada dan garis vertikal yang melewati sumbu pada harus berpotongan dalam daerah abu-abu yang dibatasi di bawah oleh garis dan di atas oleh lingkaran satuan. Wilayah yang paling menarik dari gambar ini dari sudut pandang praktis adalah sudut kiri atas daerah abu-abu: jika fidelitas antara dua keadaan mendekati satu, maka trace distance-nya mendekati nol, dan sebaliknya.
Lemma pengukuran lembutβ
Berikutnya kita akan melihat fakta sederhana namun penting, yang dikenal sebagai lemma pengukuran lembut, yang menghubungkan fidelitas dengan pengukuran non-destruktif. Ini adalah lemma yang sangat berguna yang muncul dari waktu ke waktu, dan juga patut dicatat karena definisi fidelitas yang tampak canggung itu sebenarnya membuat lemma ini sangat mudah dibuktikan.
Pengaturannya adalah sebagai berikut. Misalkan adalah sistem dalam keadaan dan adalah kumpulan matriks semidefinit positif yang merepresentasikan pengukuran umum dari Misalkan lebih lanjut bahwa jika pengukuran ini dilakukan pada sistem saat berada dalam keadaan salah satu hasil sangat mungkin terjadi. Untuk konkretnya, misalkan hasil pengukuran yang mungkin terjadi adalah dan secara spesifik misalkan
untuk suatu bilangan real positif kecil
Yang dinyatakan lemma pengukuran lembut adalah bahwa, di bawah asumsi-asumsi ini, pengukuran non-destruktif yang diperoleh dari melalui teorema Naimark hanya menyebabkan gangguan kecil pada dalam kasus hasil pengukuran yang mungkin yaitu teramati.
Lebih khusus, lemma menyatakan bahwa kuadrat fidelitas antara dan keadaan yang kita peroleh dari pengukuran non-destruktif, dikondisikan pada hasil lebih besar dari
Kita memerlukan fakta dasar tentang pengukuran untuk membuktikan ini. Matriks pengukuran bersifat semidefinit positif dan berjumlah sama dengan identitas, yang memungkinkan kita menyimpulkan bahwa semua nilai eigen dari adalah bilangan real antara dan Hal ini mengikuti dari fakta bahwa, untuk setiap vektor satuan nilai adalah bilangan real non-negatif untuk setiap (karena setiap adalah semidefinit positif), bersama dengan jumlah bilangan-bilangan ini sama dengan satu.
Karenanya selalu merupakan bilangan real antara dan dan ini mengimplikasikan bahwa setiap nilai eigen dari adalah bilangan real antara dan karena kita dapat memilih secara spesifik menjadi vektor eigen satuan yang bersesuaian dengan nilai eigen yang diminati.
Dari pengamatan ini kita dapat menyimpulkan pertidaksamaan berikut untuk setiap matriks densitas
Secara lebih rinci, mulai dari dekomposisi spektral
kita menyimpulkan bahwa