انتقل إلى المحتوى الرئيسي

الإخلاص

في هذا الجزء من الدرس، سنناقش الإخلاص بين الحالات الكمية، وهو مقياس لتشابهها — أو مقدار "التداخل" بينهما.

بالنظر إلى متجهَي حالة كمية، يساوي الإخلاص بين الحالتين النقيتين المرتبطتين بهما القيمة المطلقة للضرب الداخلي بين متجهَي الحالة الكمية. يُتيح هذا طريقة أساسية لقياس التشابه: تتراوح النتيجة بين 00 و11، وتُشير القيم الأكبر إلى تشابه أعظم. تحديدًا، القيمة صفر للحالات المتعامدة (بالتعريف)، بينما القيمة 11 للحالات المتكافئة حتى الطور الكلي.

من الناحية الحدسية، يمكن النظر إلى الإخلاص باعتباره امتدادًا لهذا المقياس الأساسي للتشابه، من متجهات الحالة الكمية إلى مصفوفات الكثافة.

تعريف الإخلاص

من المناسب البدء بتعريف الإخلاص. قد يبدو التعريف التالي للوهلة الأولى غير مألوف أو غامضًا، وربما ليس سهل التعامل. لكن الدالة التي يُعرّفها تتبيّن أن لها خصائص مثيرة للاهتمام وصياغات بديلة متعددة، مما يجعل التعامل معها أيسر بكثير مما قد يبدو في البداية.

تعريف

لتكن ρ\rho وσ\sigma مصفوفتَي كثافة تُمثّلان حالتين كميتين للنظام نفسه. يُعرَّف الإخلاص بين ρ\rho وσ\sigma بـ:

F(ρ,σ)=Trρσρ.\operatorname{F}(\rho,\sigma) = \operatorname{Tr}\sqrt{\sqrt{\rho} \sigma \sqrt{\rho}}.
ملاحظة

رغم أن هذا تعريف شائع، كثيرًا ما يُعرَّف الإخلاص أيضًا بوصفه مربع الكمية المُعرَّفة هنا، والتي تُسمى حينئذٍ إخلاص الجذر. لا يوجد تعريف صحيح أو خاطئ — الأمر في جوهره مسألة تفضيل. مع ذلك، يجب الانتباه دائمًا إلى فهم أي تعريف يُستخدم أو توضيحه.

لفهم الصيغة الواردة في التعريف، لاحظ أولًا أن ρσρ\sqrt{\rho} \sigma \sqrt{\rho} مصفوفة شبه محددة موجبًا:

ρσρ=MM\sqrt{\rho} \sigma \sqrt{\rho} = M^{\dagger} M

لـM=σρM = \sqrt{\sigma}\sqrt{\rho}. كسائر المصفوفات شبه المحددة الموجبة، تملك هذه المصفوفة جذرًا تربيعيًا وحيدًا شبه محدد موجبًا، وأثر هذا الجذر هو الإخلاص.

لكل مصفوفة مربعة MM، تكون القيم الذاتية للمصفوفتين شبه المحددتين الموجبتين MMM^{\dagger} M وMMM M^{\dagger} متطابقة دائمًا، وبالتالي ينطبق الأمر على جذورهما التربيعية أيضًا. باختيار M=σρM = \sqrt{\sigma}\sqrt{\rho} واستخدام حقيقة أن أثر المصفوفة المربعة هو مجموع قيمها الذاتية، نجد أن:

F(ρ,σ)=Trρσρ=TrMM=TrMM=Trσρσ=F(σ,ρ).\begin{aligned} \operatorname{F}(\rho,\sigma) & = \operatorname{Tr}\sqrt{\sqrt{\rho} \sigma \sqrt{\rho}}\\ & = \operatorname{Tr}\sqrt{M^{\dagger} M} = \operatorname{Tr}\sqrt{M M^{\dagger}}\\ & = \operatorname{Tr}\sqrt{\sqrt{\sigma} \rho \sqrt{\sigma}}\\ & = \operatorname{F}(\sigma,\rho). \end{aligned}

وهكذا، رغم أن ذلك ليس واضحًا مباشرةً من التعريف، فإن الإخلاص متماثل في وسيطيه.

الإخلاص بدلالة معيار الأثر

طريقة مكافئة للتعبير عن الإخلاص هي الصيغة التالية:

F(ρ,σ)=σρ1.\operatorname{F}(\rho,\sigma) = \bigl\|\sqrt{\sigma}\sqrt{\rho}\bigr\|_1.

نرى هنا معيار الأثر، الذي صادفناه في الدرس السابق في سياق تمييز الحالات. يمكن تعريف معيار الأثر لمصفوفة MM (ليست بالضرورة مربعة) بـ:

M1=TrMM,\| M \|_1 = \operatorname{Tr}\sqrt{M^{\dagger} M},

وبتطبيق هذا التعريف على المصفوفة σρ\sqrt{\sigma}\sqrt{\rho} نحصل على الصيغة الواردة في التعريف.

طريقة بديلة للتعبير عن معيار الأثر لمصفوفة (مربعة) MM هي الصيغة التالية:

M1=maxUأحاديTr(MU).\| M \|_1 = \max_{U\:\text{أحادي}} \bigl\vert \operatorname{Tr}(M U) \bigr\vert.

هنا الحد الأقصى على جميع المصفوفات الأحادية UU التي لها نفس عدد الصفوف والأعمدة كـMM. تطبيق هذه الصيغة في الحالة المعنية يكشف عن تعبير آخر للإخلاص.

F(ρ,σ)=maxUأحاديTr(σρU)\operatorname{F}(\rho,\sigma) = \max_{U\:\text{أحادي}} \bigl\vert\operatorname{Tr}\bigl( \sqrt{\sigma}\sqrt{\rho}\, U\bigr) \bigr\vert

الإخلاص للحالات النقية

نقطة أخيرة حول تعريف الإخلاص هي أن كل حالة نقية (بوصفها مصفوفة كثافة) تساوي جذرها التربيعي لنفسها، مما يُتيح تبسيطًا ملحوظًا لصيغة الإخلاص حين تكون إحدى الحالتين أو كلتاهما نقية. تحديدًا، إذا كانت إحدى الحالتين نقية لدينا الصيغة التالية:

F(ϕϕ,σ)=ϕσϕ\operatorname{F}\bigl( \vert\phi\rangle\langle\phi\vert, \sigma \bigr) = \sqrt{\langle \phi\vert \sigma \vert \phi \rangle}

إذا كانت كلتا الحالتين نقيتين، تُختزل الصيغة إلى القيمة المطلقة للضرب الداخلي لمتجهَي الحالة الكمية المقابلَين، كما أُشير في بداية القسم.

F(ϕϕ,ψψ)=ϕψ\operatorname{F}\bigl( \vert\phi\rangle\langle\phi\vert, \vert\psi\rangle\langle\psi\vert \bigr) = \bigl\vert \langle \phi\vert \psi \rangle \bigr\vert

الخصائص الأساسية للإخلاص

يتمتع الإخلاص بخصائص رائعة عديدة وله عدة صياغات بديلة. إليك عددًا من الخصائص الأساسية المذكورة دون براهين.

  1. لأي مصفوفتَي كثافة ρ\rho وσ\sigma بنفس الحجم، يتراوح الإخلاص F(ρ,σ)\operatorname{F}(\rho,\sigma) بين صفر وواحد: 0F(ρ,σ)10\leq \operatorname{F}(\rho,\sigma) \leq 1. يكون F(ρ,σ)=0\operatorname{F}(\rho,\sigma)=0 إذا وفقط إذا كانت صور ρ\rho وσ\sigma متعامدة (فيمكن تمييزهما دون خطأ)، ويكون F(ρ,σ)=1\operatorname{F}(\rho,\sigma)=1 إذا وفقط إذا كان ρ=σ\rho = \sigma.
  2. الإخلاص تضاعفي، بمعنى أن الإخلاص بين حالتين منتجتين يساوي حاصل ضرب الإخلاصَين المنفردَين: F(ρ1ρm,σ1σm)=F(ρ1,σ1)F(ρm,σm).\operatorname{F}(\rho_1\otimes\cdots\otimes\rho_m,\sigma_1\otimes\cdots\otimes\sigma_m) = \operatorname{F}(\rho_1,\sigma_1)\cdots \operatorname{F}(\rho_m,\sigma_m).
  3. الإخلاص بين الحالات لا يتناقص تحت تأثير أي قناة. أي أنه إذا كانت ρ\rho وσ\sigma مصفوفتَي كثافة وΦ\Phi قناة يمكنها أخذ هاتين الحالتين كإدخال، فيكون بالضرورة: F(ρ,σ)F(Φ(ρ),Φ(σ)).\operatorname{F}(\rho,\sigma) \leq \operatorname{F}(\Phi(\rho),\Phi(\sigma)).
  4. تُحدد متباينات فوكس-فان دي غراف علاقة وثيقة (وإن لم تكن دقيقة) بين الإخلاص ومسافة الأثر: لأي حالتين ρ\rho وσ\sigma يكون: 112ρσ1F(ρ,σ)114ρσ12.1 - \frac{1}{2}\|\rho - \sigma\|_1 \leq \operatorname{F}(\rho,\sigma) \leq \sqrt{1 - \frac{1}{4}\|\rho - \sigma\|_1^2}.

يمكن التعبير عن الخاصية الأخيرة بشكل شكل:

مخطط يربط مسافة الأثر بالإخلاص

تحديدًا، لأي اختيار لحالتين ρ\rho وσ\sigma للنظام ذاته، يجب أن يتقاطع الخط الأفقي الذي يقطع محور yy عند F(ρ,σ)\operatorname{F}(\rho,\sigma) والخط الرأسي الذي يقطع محور xx عند 12ρσ1\frac{1}{2}\|\rho-\sigma\|_1 داخل المنطقة الرمادية المحدودة من الأسفل بالخط y=1xy = 1-x ومن الأعلى بدائرة الوحدة. المنطقة الأكثر إثارةً للاهتمام من الناحية العملية في هذا الشكل هي الزاوية العلوية اليسرى من المنطقة الرمادية: إذا كان الإخلاص بين حالتين قريبًا من الواحد، فإن مسافة الأثر قريبة من الصفر، والعكس صحيح.

مبرهنة القياس اللطيف

بعد ذلك سننظر في حقيقة بسيطة لكن مهمة تُعرف بـمبرهنة القياس اللطيف، التي تربط الإخلاص بالقياسات غير المدمِّرة. إنها مبرهنة مساعدة مفيدة جدًا تظهر بين الحين والآخر، ومن الجدير ملاحظته أن التعريف الذي يبدو متعثرًا للإخلاص يجعل إثبات المبرهنة في الواقع سهلًا للغاية.

الإعداد هو كما يلي. ليكن X\mathsf{X} نظامًا في حالة ρ\rho ولتكن {P0,,Pm1}\{P_0,\ldots,P_{m-1}\} مجموعةً من المصفوفات شبه المحددة الموجبة التي تُمثّل قياسًا عامًا للنظام X\mathsf{X}. لنفترض كذلك أنه إذا أُجري هذا القياس على النظام X\mathsf{X} وهو في الحالة ρ\rho، فإن إحدى النتائج مرجَّحة الحدوث. لتكن النتيجة المرجَّحة هي 00 تحديدًا، ولنفترض أن:

Tr(P0ρ)>1ε\operatorname{Tr}(P_0 \rho) > 1 - \varepsilon

لعدد حقيقي موجب صغير ε>0\varepsilon > 0.

ما تنص عليه مبرهنة القياس اللطيف هو أنه في ظل هذه الافتراضات، يُحدث القياس غير المدمِّر المستمد من {P0,,Pm1}\{P_0,\ldots,P_{m-1}\} عبر مبرهنة نايمارك اضطرابًا طفيفًا فقط في ρ\rho في حالة ملاحظة النتيجة المرجَّحة 00.

بصورة أكثر دقة، تنص المبرهنة على أن مربع الإخلاص بين ρ\rho والحالة الناتجة عن القياس غير المدمِّر بشرط أن تكون النتيجة 00 يزيد عن 1ε1-\varepsilon.

F(ρ,P0ρP0Tr(P0ρ))2>1ε.\operatorname{F}\Biggl(\rho,\frac{\sqrt{P_0}\rho\sqrt{P_0}}{\operatorname{Tr}(P_0\rho)}\Biggr)^2 > 1-\varepsilon.

نحتاج إلى حقيقة أساسية حول القياسات لإثبات ذلك. مصفوفات القياس P0,,Pm1P_0, \ldots, P_{m-1} شبه محددة موجبة ومجموعها يساوي مصفوفة الهوية، مما يُتيح لنا الاستنتاج أن جميع القيم الذاتية لـP0P_0 هي أعداد حقيقية تتراوح بين 00 و11. يترتب ذلك على حقيقة أنه لأي متجه وحدة ψ\vert\psi\rangle، تكون القيمة ψPaψ\langle \psi \vert P_a \vert \psi \rangle عددًا حقيقيًا غير سالب لكل a{0,,m1}a\in\{0,\ldots,m-1\} (لأن كل PaP_a شبه محدد موجب)، إضافةً إلى أن مجموع هذه الأعداد يساوي واحدًا.

a=0m1ψPaψ=ψ(a=0m1Pa)ψ=ψIψ=1.\sum_{a = 0}^{m-1} \langle \psi \vert P_a \vert \psi \rangle = \langle \psi \vert \Biggl(\sum_{a = 0}^{m-1} P_a \Biggr) \vert \psi \rangle = \langle \psi \vert \mathbb{I} \vert \psi \rangle = 1.

وعليه فإن ψP0ψ\langle \psi \vert P_0 \vert \psi \rangle دائمًا عدد حقيقي بين 00 و11، وهذا يعني أن كل قيمة ذاتية لـP0P_0 عدد حقيقي بين 00 و11 لأنه يمكننا اختيار ψ\vert\psi\rangle تحديدًا ليكون متجه وحدة ذاتيًا للقيمة الذاتية موضع الاهتمام.

من هذه الملاحظة يمكننا استنتاج المتباينة التالية لكل مصفوفة كثافة ρ\rho.

Tr(P0ρ)Tr(P0ρ)\operatorname{Tr}\bigl( \sqrt{P_0} \rho\bigr) \geq \operatorname{Tr}\bigl( P_0 \rho\bigr)

بالتفصيل، بدءًا من التحليل الطيفي:

P0=k=0n1λkψkψkP_0 = \sum_{k=0}^{n-1} \lambda_k \vert\psi_k\rangle\langle\psi_k\vert

نستنتج أن:

Tr(P0ρ)=k=0n1λkψkρψkk=0n1λkψkρψk=Tr(P0ρ)\operatorname{Tr}\bigl( \sqrt{P_0} \rho\bigr) = \sum_{k = 0}^{n-1} \sqrt{\lambda_k} \langle \psi_k \vert \rho \vert \psi_k \rangle \geq \sum_{k = 0}^{n-1} \lambda_k \langle \psi_k \vert \rho \vert \psi_k \rangle = \operatorname{Tr}\bigl( P_0 \rho\bigr)

من حقيقة أن ψkρψk\langle \psi_k \vert \rho \vert \psi_k \rangle عدد حقيقي غير سالب وأن λkλk\sqrt{\lambda_k} \geq \lambda_k لكل k=0,,n1k = 0,\ldots,n-1. (تربيع الأعداد التي تتراوح بين 00 و11 لا يُكبّرها أبدًا.)

يمكننا الآن إثبات مبرهنة القياس اللطيف بتقييم الإخلاص ثم استخدام متباينتنا. أولًا لنُبسّط التعبير الذي نهتم به.

F(ρ,P0ρP0Tr(P0ρ))=TrρP0ρP0ρTr(P0ρ)=Tr(ρP0ρTr(P0ρ))2=Tr(ρP0ρTr(P0ρ))=Tr(P0ρ)Tr(P0ρ)\begin{aligned} \operatorname{F}\Biggl(\rho,\frac{\sqrt{P_0}\rho\sqrt{P_0}}{\operatorname{Tr}(P_0\rho)}\Biggr) & = \operatorname{Tr}\sqrt{\frac{\sqrt{\rho}\sqrt{P_0}\rho\sqrt{P_0}\sqrt{\rho}}{ \operatorname{Tr}(P_0\rho)}}\\ & = \operatorname{Tr}\sqrt{\Biggl(\frac{\sqrt{\rho}\sqrt{P_0}\sqrt{\rho}}{ \sqrt{\operatorname{Tr}(P_0\rho)}}\Biggr)^2}\\ & = \operatorname{Tr}\Biggl(\frac{\sqrt{\rho}\sqrt{P_0}\sqrt{\rho}}{ \sqrt{\operatorname{Tr}(P_0\rho)}}\Biggr)\\ & = \frac{\operatorname{Tr}\bigl(\sqrt{P_0}\rho\bigr)}{\sqrt{\operatorname{Tr}(P_0\rho)}} \end{aligned}

لاحظ أن هذه كلها تساويات — لم نستخدم متباينتنا (أو أي متباينة أخرى) حتى الآن، لذا لدينا تعبير دقيق للإخلاص. يمكننا الآن استخدام متباينتنا للاستنتاج:

F(ρ,P0ρP0Tr(P0ρ))=Tr(P0ρ)Tr(P0ρ)Tr(P0ρ)Tr(P0ρ)=Tr(P0ρ)\operatorname{F}\Biggl(\rho,\frac{\sqrt{P_0}\rho\sqrt{P_0}}{\operatorname{Tr}(P_0\rho)}\Biggr) = \frac{\operatorname{Tr}\bigl(\sqrt{P_0}\rho\bigr)}{\sqrt{\operatorname{Tr}(P_0\rho)}} \geq \frac{\operatorname{Tr}\bigl(P_0\rho\bigr)}{\sqrt{\operatorname{Tr}(P_0\rho)}} = \sqrt{\operatorname{Tr}\bigl(P_0\rho\bigr)}

وبالتالي، بتربيع طرفَي المتباينة:

F(ρ,P0ρP0Tr(P0ρ))2Tr(P0ρ)>1ε.\operatorname{F}\Biggl(\rho,\frac{\sqrt{P_0}\rho\sqrt{P_0}}{\operatorname{Tr}(P_0\rho)}\Biggr)^2 \geq \operatorname{Tr}\bigl(P_0\rho\bigr) > 1-\varepsilon.

مبرهنة أولمان

لنختتم الدرس بالنظر في مبرهنة أولمان، وهي حقيقة أساسية حول الإخلاص تربطه بمفهوم التنقية. ما تقوله المبرهنة بعبارات بسيطة هو أن الإخلاص بين أي حالتين كميتين يساوي أعظم ضرب داخلي (بالقيمة المطلقة) بين تنقيتين لتلك الحالتين.

مبرهنة

مبرهنة أولمان: لتكن ρ\rho وσ\sigma مصفوفتَي كثافة تُمثّلان حالتَي نظام X\mathsf{X}، وليكن Y\mathsf{Y} نظامًا يمتلك على الأقل بقدر ما يمتلكه X\mathsf{X} من حالات كلاسيكية. الإخلاص بين ρ\rho وσ\sigma هو:

F(ρ,σ)=max{ϕψ:TrY(ϕϕ)=ρ,  TrY(ψψ)=σ}, \operatorname{F}(\rho,\sigma) = \max\bigl\{ \vert \langle \phi \vert \psi \rangle \vert \,:\, \operatorname{Tr}_{\mathsf{Y}}\bigl(\vert\phi\rangle\langle\phi\vert\bigr) = \rho,\; \operatorname{Tr}_{\mathsf{Y}}\bigl(\vert\psi\rangle\langle\psi\vert\bigr) = \sigma\bigr\},

حيث يؤخذ الحد الأقصى على جميع متجهات الحالة الكمية ϕ\vert\phi\rangle وψ\vert\psi\rangle للزوج (X,Y)(\mathsf{X},\mathsf{Y}).

يمكن إثبات هذه المبرهنة باستخدام التكافؤ الأحادي للتنقيات — لكن الأمر ليس بسيطًا تمامًا وسنستعمل خدعة في الطريق.

للبدء، لننظر في التحليلات الطيفية لمصفوفتَي الكثافة ρ\rho وσ\sigma.

ρ=a=0n1pauauaσ=b=0n1qbvbvb\begin{aligned} \rho & = \sum_{a = 0}^{n-1} p_a \vert u_a\rangle\langle u_a\vert \\[2mm] \sigma & = \sum_{b = 0}^{n-1} q_b \vert v_b\rangle\langle v_b\vert \end{aligned}

المجموعتان {u0,,un1}\{\vert u_0 \rangle,\ldots,\vert u_{n-1}\rangle\} و{v0,,vn1}\{\vert v_0 \rangle,\ldots,\vert v_{n-1}\rangle\} أساسان متعامدان وحيدا القياس من المتجهات الذاتية لـρ\rho وσ\sigma على التوالي، وp0,,pn1p_0,\ldots,p_{n-1} وq0,,qn1q_0,\ldots,q_{n-1} هي القيم الذاتية المقابلة.

سنُعرّف أيضًا u0,,un1\vert \overline{u_0} \rangle,\ldots,\vert \overline{u_{n-1}}\rangle و v0,,vn1\vert \overline{v_0} \rangle,\ldots,\vert \overline{v_{n-1}}\rangle لتكون المتجهات الناتجة بأخذ المرافق المركب لكل مدخل من مدخلات u0,,un1\vert u_0 \rangle,\ldots,\vert u_{n-1}\rangle وv0,,vn1\vert v_0 \rangle,\ldots,\vert v_{n-1}\rangle. أي أنه لأي متجه عشوائي w\vert w\rangle يمكن تعريف w\vert\overline{w}\rangle وفق المعادلة التالية لكل c{0,,n1}c\in\{0,\ldots,n-1\}:

cw=cw\langle c \vert \overline{w}\rangle = \overline{\langle c \vert w\rangle}

لاحظ أنه لأي متجهَين u\vert u\rangle وv\vert v\rangle يكون uv=vu\langle \overline{u} \vert \overline{v}\rangle = \langle v\vert u\rangle. بصورة أعم، لأي مصفوفة مربعة MM لدينا الصيغة التالية:

uMv=vMTu\langle \overline{u} \vert M \vert \overline{v}\rangle = \langle v\vert M^T \vert u\rangle

ويترتب على ذلك أن u\vert u\rangle وv\vert v\rangle متعامدان إذا وفقط إذا كان u\vert \overline{u}\rangle وv\vert \overline{v}\rangle متعامدَين، وبالتالي فإن {u0,,un1}\{\vert \overline{u_0} \rangle,\ldots,\vert \overline{u_{n-1}}\rangle\} و {v0,,vn1}\{\vert \overline{v_0} \rangle,\ldots,\vert \overline{v_{n-1}}\rangle\} كلاهما أساسان متعامدان وحيدا القياس.

الآن لننظر في المتجهين التاليين ϕ\vert\phi\rangle وψ\vert\psi\rangle، اللذين يُمثّلان تنقيتَين لـρ\rho وσ\sigma على التوالي.

ϕ=a=0n1pauauaψ=b=0n1qbvbvb\begin{aligned} \vert\phi\rangle & = \sum_{a = 0}^{n-1} \sqrt{p_a}\, \vert u_a\rangle \otimes \vert \overline{u_a}\rangle \\[2mm] \vert\psi\rangle & = \sum_{b = 0}^{n-1} \sqrt{q_b}\, \vert v_b\rangle \otimes \vert \overline{v_b}\rangle \end{aligned}

هذه هي الخدعة المشار إليها سابقًا. لا يوجد ما يُشير صراحةً في هذه المرحلة إلى أن هذه الاختيارات المحددة لتنقيات ρ\rho وσ\sigma جيدة، لكنها تنقيات صالحة، والاقتران المركب سيُتيح للجبر أن يسير بالطريقة التي نحتاجها.

بفضل التكافؤ الأحادي للتنقيات، نعلم أن كل تنقية لـρ\rho للزوج من الأنظمة (X,Y)(\mathsf{X},\mathsf{Y}) يجب أن تأخذ الشكل (IXU)ϕ(\mathbb{I}_{\mathsf{X}}\otimes U)\vert\phi\rangle لمصفوفة أحادية UU ما، وبالمثل كل تنقية لـσ\sigma للزوج (X,Y)(\mathsf{X},\mathsf{Y}) يجب أن تأخذ الشكل (IXV)ψ(\mathbb{I}_{\mathsf{X}}\otimes V)\vert\psi\rangle لمصفوفة أحادية VV ما. يمكن تبسيط الضرب الداخلي لتنقيتين كهاتين على النحو التالي:

ϕ(IU)(IV)ψ=a,b=0n1paqbuavbuaUVvb=a,b=0n1paqbuavbvb(UV)Tua=Tr(a,b=0n1paqbuauavbvb(UV)T)=Tr(ρσ(UV)T)\begin{aligned} \langle \phi \vert (\mathbb{I}\otimes U^{\dagger}) (\mathbb{I}\otimes V) \vert \psi \rangle \hspace{-2.5cm}\\ & = \sum_{a,b = 0}^{n-1} \sqrt{p_a} \sqrt{q_b}\, \langle u_a \vert v_b \rangle \langle \overline{u_a} \vert U^{\dagger} V \vert \overline{v_b} \rangle \\ & = \sum_{a,b = 0}^{n-1} \sqrt{p_a} \sqrt{q_b}\, \langle u_a \vert v_b \rangle \langle v_b \vert (U^{\dagger} V)^T \vert u_a \rangle \\ & = \operatorname{Tr}\Biggl( \sum_{a,b = 0}^{n-1} \sqrt{p_a} \sqrt{q_b}\, \vert u_a \rangle\langle u_a \vert v_b \rangle \langle v_b \vert (U^{\dagger} V)^T\Biggr)\\ & = \operatorname{Tr}\Bigl( \sqrt{\rho}\sqrt{\sigma}\, (U^{\dagger} V)^T\Bigr) \end{aligned}

بينما تتراوح UU وVV بين جميع المصفوفات الأحادية الممكنة، تتراوح المصفوفة (UV)T(U^{\dagger} V)^T أيضًا بين جميع المصفوفات الأحادية الممكنة. وبالتالي، تكبير القيمة المطلقة للضرب الداخلي بين تنقيتَين لـρ\rho وσ\sigma يُعطي المعادلة التالية:

maxU,VأحاديتانTr(ρσ(UV)T)=maxWأحاديTr(ρσW)=ρσ1=F(ρ,σ)\begin{aligned} \max_{U,V\:\text{أحاديتان}} \biggl\vert \operatorname{Tr}\Bigl( \sqrt{\rho}\sqrt{\sigma}\, (U^{\dagger} V)^T\Bigr)\biggr\vert & = \max_{W\:\text{أحادي}} \biggl\vert \operatorname{Tr}\Bigl( \sqrt{\rho}\sqrt{\sigma}\, W\Bigr)\biggr\vert\\[2mm] & = \bigl\| \sqrt{\rho}\sqrt{\sigma} \bigr\|_1\\[2mm] & = \operatorname{F}(\rho,\sigma) \end{aligned}

استطلاع ما بعد الدورة

تهانينا على إتمام هذه الدورة! يُرجى تخصيص لحظة لمساعدتنا في تحسين دورتنا بتعبئة استطلاع سريع. ستُستخدم ملاحظاتك في تعزيز محتوانا وتجربة المستخدم. شكرًا لك!