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 0 و1، وتُشير القيم الأكبر إلى تشابه أعظم.
تحديدًا، القيمة صفر للحالات المتعامدة (بالتعريف)، بينما القيمة 1 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.
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 وσ مصفوفتَي كثافة تُمثّلان حالتين كميتين للنظام نفسه.
يُعرَّف الإخلاص بين ρ وσ بـ:
F(ρ,σ)=Trρσρ.
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 مصفوفة شبه محددة موجبًا:
ρσρ=M†M
لـM=σρ.
كسائر المصفوفات شبه المحددة الموجبة، تملك هذه المصفوفة جذرًا تربيعيًا وحيدًا شبه محدد موجبًا، وأثر هذا الجذر هو الإخلاص.
لكل مصفوفة مربعة M، تكون القيم الذاتية للمصفوفتين شبه المحددتين الموجبتين M†M وMM† متطابقة دائمًا، وبالتالي ينطبق الأمر على جذورهما التربيعية أيضًا.
باختيار M=σρ واستخدام حقيقة أن أثر المصفوفة المربعة هو مجموع قيمها الذاتية، نجد أن:
F(ρ,σ)=Trρσρ=TrM†M=TrMM†=Trσρσ=F(σ,ρ).
وهكذا، رغم أن ذلك ليس واضحًا مباشرةً من التعريف، فإن الإخلاص متماثل في وسيطيه.
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(∣ϕ⟩⟨ϕ∣,σ)=⟨ϕ∣σ∣ϕ⟩
إذا كانت كلتا الحالتين نقيتين، تُختزل الصيغة إلى القيمة المطلقة للضرب الداخلي لمتجهَي الحالة الكمية المقابلَين، كما أُشير في بداية القسم.
يتمتع الإخلاص بخصائص رائعة عديدة وله عدة صياغات بديلة.
إليك عددًا من الخصائص الأساسية المذكورة دون براهين.
لأي مصفوفتَي كثافة ρ وσ بنفس الحجم، يتراوح الإخلاص F(ρ,σ) بين صفر وواحد: 0≤F(ρ,σ)≤1. يكون F(ρ,σ)=0 إذا وفقط إذا كانت صور ρ وσ متعامدة (فيمكن تمييزهما دون خطأ)، ويكون F(ρ,σ)=1 إذا وفقط إذا كان ρ=σ.
الإخلاص تضاعفي، بمعنى أن الإخلاص بين حالتين منتجتين يساوي حاصل ضرب الإخلاصَين المنفردَين:
F(ρ1⊗⋯⊗ρm,σ1⊗⋯⊗σm)=F(ρ1,σ1)⋯F(ρm,σm).
الإخلاص بين الحالات لا يتناقص تحت تأثير أي قناة. أي أنه إذا كانت ρ وσ مصفوفتَي كثافة وΦ قناة يمكنها أخذ هاتين الحالتين كإدخال، فيكون بالضرورة:
F(ρ,σ)≤F(Φ(ρ),Φ(σ)).
تُحدد متباينات فوكس-فان دي غراف علاقة وثيقة (وإن لم تكن دقيقة) بين الإخلاص ومسافة الأثر: لأي حالتين ρ وσ يكون:
1−21∥ρ−σ∥1≤F(ρ,σ)≤1−41∥ρ−σ∥12.
يمكن التعبير عن الخاصية الأخيرة بشكل شكل:
تحديدًا، لأي اختيار لحالتين ρ وσ للنظام ذاته، يجب أن يتقاطع الخط الأفقي الذي يقطع محور y عند F(ρ,σ) والخط الرأسي الذي يقطع محور x عند 21∥ρ−σ∥1 داخل المنطقة الرمادية المحدودة من الأسفل بالخط y=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.
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 نظامًا في حالة ρ ولتكن {P0,…,Pm−1} مجموعةً من المصفوفات شبه المحددة الموجبة التي تُمثّل قياسًا عامًا للنظام X.
لنفترض كذلك أنه إذا أُجري هذا القياس على النظام X وهو في الحالة ρ، فإن إحدى النتائج مرجَّحة الحدوث.
لتكن النتيجة المرجَّحة هي 0 تحديدًا، ولنفترض أن:
Tr(P0ρ)>1−ε
لعدد حقيقي موجب صغير ε>0.
ما تنص عليه مبرهنة القياس اللطيف هو أنه في ظل هذه الافتراضات، يُحدث القياس غير المدمِّر المستمد من {P0,…,Pm−1} عبر مبرهنة نايمارك اضطرابًا طفيفًا فقط في ρ في حالة ملاحظة النتيجة المرجَّحة 0.
بصورة أكثر دقة، تنص المبرهنة على أن مربع الإخلاص بين ρ والحالة الناتجة عن القياس غير المدمِّر بشرط أن تكون النتيجة 0 يزيد عن 1−ε.
F(ρ,Tr(P0ρ)P0ρP0)2>1−ε.
نحتاج إلى حقيقة أساسية حول القياسات لإثبات ذلك.
مصفوفات القياس P0,…,Pm−1 شبه محددة موجبة ومجموعها يساوي مصفوفة الهوية، مما يُتيح لنا الاستنتاج أن جميع القيم الذاتية لـP0 هي أعداد حقيقية تتراوح بين 0 و1.
يترتب ذلك على حقيقة أنه لأي متجه وحدة ∣ψ⟩، تكون القيمة
⟨ψ∣Pa∣ψ⟩ عددًا حقيقيًا غير سالب لكل a∈{0,…,m−1} (لأن كل Pa شبه محدد موجب)، إضافةً إلى أن مجموع هذه الأعداد يساوي واحدًا.
a=0∑m−1⟨ψ∣Pa∣ψ⟩=⟨ψ∣(a=0∑m−1Pa)∣ψ⟩=⟨ψ∣I∣ψ⟩=1.
وعليه فإن ⟨ψ∣P0∣ψ⟩ دائمًا عدد حقيقي بين 0 و1، وهذا يعني أن كل قيمة ذاتية لـP0 عدد حقيقي بين 0 و1 لأنه يمكننا اختيار ∣ψ⟩ تحديدًا ليكون متجه وحدة ذاتيًا للقيمة الذاتية موضع الاهتمام.
من هذه الملاحظة يمكننا استنتاج المتباينة التالية لكل مصفوفة كثافة ρ.
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 وσ مصفوفتَي كثافة تُمثّلان حالتَي نظام X، وليكن Y نظامًا يمتلك على الأقل بقدر ما يمتلكه X من حالات كلاسيكية. الإخلاص بين ρ وσ هو:
حيث يؤخذ الحد الأقصى على جميع متجهات الحالة الكمية ∣ϕ⟩ و∣ψ⟩ للزوج (X,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 وσ.
ρσ=a=0∑n−1pa∣ua⟩⟨ua∣=b=0∑n−1qb∣vb⟩⟨vb∣
المجموعتان {∣u0⟩,…,∣un−1⟩} و{∣v0⟩,…,∣vn−1⟩} أساسان متعامدان وحيدا القياس من المتجهات الذاتية لـρ وσ على التوالي، وp0,…,pn−1 وq0,…,qn−1 هي القيم الذاتية المقابلة.
سنُعرّف أيضًا ∣u0⟩,…,∣un−1⟩ و
∣v0⟩,…,∣vn−1⟩ لتكون المتجهات الناتجة بأخذ المرافق المركب لكل مدخل من مدخلات ∣u0⟩,…,∣un−1⟩ و∣v0⟩,…,∣vn−1⟩.
أي أنه لأي متجه عشوائي ∣w⟩ يمكن تعريف ∣w⟩ وفق المعادلة التالية لكل c∈{0,…,n−1}:
⟨c∣w⟩=⟨c∣w⟩
لاحظ أنه لأي متجهَين ∣u⟩ و∣v⟩ يكون
⟨u∣v⟩=⟨v∣u⟩.
بصورة أعم، لأي مصفوفة مربعة M لدينا الصيغة التالية:
⟨u∣M∣v⟩=⟨v∣MT∣u⟩
ويترتب على ذلك أن ∣u⟩ و∣v⟩ متعامدان إذا وفقط إذا كان ∣u⟩ و∣v⟩ متعامدَين، وبالتالي
فإن {∣u0⟩,…,∣un−1⟩} و
{∣v0⟩,…,∣vn−1⟩} كلاهما أساسان متعامدان وحيدا القياس.
الآن لننظر في المتجهين التاليين ∣ϕ⟩ و∣ψ⟩، اللذين يُمثّلان تنقيتَين لـρ وσ على التوالي.
هذه هي الخدعة المشار إليها سابقًا.
لا يوجد ما يُشير صراحةً في هذه المرحلة إلى أن هذه الاختيارات المحددة لتنقيات ρ وσ جيدة، لكنها تنقيات صالحة، والاقتران المركب سيُتيح للجبر أن يسير بالطريقة التي نحتاجها.
بفضل التكافؤ الأحادي للتنقيات، نعلم أن كل تنقية لـρ للزوج من الأنظمة (X,Y) يجب أن تأخذ الشكل
(IX⊗U)∣ϕ⟩ لمصفوفة أحادية U ما، وبالمثل كل تنقية لـσ للزوج (X,Y) يجب أن تأخذ الشكل
(IX⊗V)∣ψ⟩ لمصفوفة أحادية V ما.
يمكن تبسيط الضرب الداخلي لتنقيتين كهاتين على النحو التالي:
بينما تتراوح U وV بين جميع المصفوفات الأحادية الممكنة، تتراوح المصفوفة (U†V)T أيضًا بين جميع المصفوفات الأحادية الممكنة.
وبالتالي، تكبير القيمة المطلقة للضرب الداخلي بين تنقيتَين لـρ وσ يُعطي المعادلة التالية:
تهانينا على إتمام هذه الدورة! يُرجى تخصيص لحظة لمساعدتنا في تحسين دورتنا بتعبئة استطلاع سريع. ستُستخدم ملاحظاتك في تعزيز محتوانا وتجربة المستخدم. شكرًا لك!
Note: This survey is provided by IBM Quantum and relates to the original English content. To give feedback on doQumentation's website, translations, or code execution, please open a GitHub issue.