kwantowego Michał Kotowski michal.kotowski1@gmail.com K MISMaP, Uniwersystet Warszawski Studenckie Koło Fizyki UW (SKFiz UW) 24 kwietnia 2010 kwantowego
Spis treści 1 2 Stany czyste i mieszane Matematyczny opis splątania 3 Rozkład Schmidta 4 Aksjomaty miar splątania Entropia von Neumanna i destylowalność 5 6 Desery Bibliografia kwantowego
Splątanie kwantowe Splątanie kwantowe (quantum entanglement) - najbardziej nieintuicyjne zjawisko kwantowe kwantowego
Splątanie kwantowe Splątanie kwantowe (quantum entanglement) - najbardziej nieintuicyjne zjawisko kwantowe występuje w układach wielu (dwóch lub więcej) cząstek kwantowego
Splątanie kwantowe Splątanie kwantowe (quantum entanglement) - najbardziej nieintuicyjne zjawisko kwantowe występuje w układach wielu (dwóch lub więcej) cząstek istnienie nielokalnych kwantowych korelacji miedzy podukładami (silniejszych niż jakiekolwiek korelacje klasyczne) kwantowego
Splątanie kwantowe Splątanie kwantowe (quantum entanglement) - najbardziej nieintuicyjne zjawisko kwantowe występuje w układach wielu (dwóch lub więcej) cząstek istnienie nielokalnych kwantowych korelacji miedzy podukładami (silniejszych niż jakiekolwiek korelacje klasyczne) lata 30.: paradoks Einsteina-Podolsky ego-rosena, spooky action at a distance kwantowego
Splątanie kwantowe odkryte na nowo po kilkudziesięciu latach w kontekście kwantowej teorii informacji kwantowego
Splątanie kwantowe odkryte na nowo po kilkudziesięciu latach w kontekście kwantowej teorii informacji zastosowania w kryptografii i komunikacji kwantowej, potencjalnie w komputerach kwantowych... kwantowego
Splątanie kwantowe odkryte na nowo po kilkudziesięciu latach w kontekście kwantowej teorii informacji zastosowania w kryptografii i komunikacji kwantowej, potencjalnie w komputerach kwantowych... splątanie jako nowy fizyczny zasób (wykonuje zadania, zużywa sie, nie można go stworzyć za darmo...) kwantowego
Splątanie kwantowe odkryte na nowo po kilkudziesięciu latach w kontekście kwantowej teorii informacji zastosowania w kryptografii i komunikacji kwantowej, potencjalnie w komputerach kwantowych... splątanie jako nowy fizyczny zasób (wykonuje zadania, zużywa sie, nie można go stworzyć za darmo...) źródło nowych problemów matematycznych kwantowego
Paradoks EPR Alicja i Bob mają parę cząstek w stanie: ψ = 1 2 ( ) kwantowego
Paradoks EPR Alicja i Bob mają parę cząstek w stanie: ψ = 1 2 ( ) Jeśli Alicja wykona pomiar spinu i dostanie w wyniku spin, to Bob zawsze otrzyma (i odwrotnie). kwantowego
Paradoks EPR Alicja i Bob mają parę cząstek w stanie: ψ = 1 2 ( ) Jeśli Alicja wykona pomiar spinu i dostanie w wyniku spin, to Bob zawsze otrzyma (i odwrotnie). Pomiary spinów są całkowicie antyskorelowane... kwantowego
Paradoks EPR Alicja i Bob mają parę cząstek w stanie: ψ = 1 2 ( ) Jeśli Alicja wykona pomiar spinu i dostanie w wyniku spin, to Bob zawsze otrzyma (i odwrotnie). Pomiary spinów są całkowicie antyskorelowane...... mimo że Alicja i Bob znajdują się na przeciwległych krańach Wszechświata. kwantowego
Problemy teorii splątania Które stany są splątane, a które nie? Które stany są bardziej splątane od innych (tytułowe ilościowe miary splątania)? Czy mogą istnieć różne rodzaje splątania? kwantowego
Stany czyste Stany czyste i mieszane Matematyczny opis splątania Stan układu N cząstek opisujemy przez wektor z przestrzeni Hilberta ψ H 1... H N (skończenie wymiarowej) (unormowany do 1) W najprostszym przypadku ψ H H (np. dwie cząstki o spinie 1/2) Każdy stan w ustalonej bazie możemy zapisać jako ψ = a ijk... ijk... i,j,k... ψ ψ - operator rzutowy na stan ψ kwantowego
Stany czyste i mieszane Matematyczny opis splątania Stany mieszane Macierz gęstości ρ B(H 1... H N ) opisuje mieszaninę statystyczną różnych stanów czystych: ρ = ρ, ρ 0 Tr ρ = 1 kwantowego
Stany czyste i mieszane Matematyczny opis splątania Stany mieszane Macierz gęstości ρ B(H 1... H N ) opisuje mieszaninę statystyczną różnych stanów czystych: ρ = ρ, ρ 0 Tr ρ = 1 Każda macierz gęstości jest kombinacją wypukłą stanów czystych: ρ = k p i ψ i ψ i i=1 k p i = 1, i=1 ψ i H 1... H N kwantowego
Stany mieszane Stany czyste i mieszane Matematyczny opis splątania Stanom czystym odpowiadają operatory rzutowe ρ ψ = ψ ψ kwantowego
Stany czyste i mieszane Matematyczny opis splątania Stany mieszane Stanom czystym odpowiadają operatory rzutowe ρ ψ = ψ ψ W ogólnosci macierz gęstości nie jest rzutem na żaden stan czysty kwantowego
Stany czyste i mieszane Matematyczny opis splątania Stany mieszane Stanom czystym odpowiadają operatory rzutowe ρ ψ = ψ ψ W ogólnosci macierz gęstości nie jest rzutem na żaden stan czysty Przykłady: (mieszanina stanów 0 i 1 ) ρ = p 0 0 + (1 p) 1 1 ρ = 1 N N i i i=1 (stan maksymalnie mieszany) kwantowego
Definicja splątania - stany czyste Stany czyste i mieszane Matematyczny opis splątania Stan ψ H A H B nazywamy separowalnym, jeśli da się zapisać jako ψ = ψ A ψ B kwantowego
Stany czyste i mieszane Matematyczny opis splątania Definicja splątania - stany czyste Stan ψ H A H B nazywamy separowalnym, jeśli da się zapisać jako ψ = ψ A ψ B Stan jest splątany, jesli nie jest separowalny kwantowego
Stany czyste i mieszane Matematyczny opis splątania Definicja splątania - stany czyste Stan ψ H A H B nazywamy separowalnym, jeśli da się zapisać jako ψ = ψ A ψ B Stan jest splątany, jesli nie jest separowalny Przykład: stany Bella (pary EPR) ψ = 1 2 ( 00 ± 11 ) ψ = 1 2 ( 01 ± 10 ) kwantowego
Stany czyste i mieszane Matematyczny opis splątania Definicja splątania - stany czyste Stan ψ H A H B nazywamy separowalnym, jeśli da się zapisać jako ψ = ψ A ψ B Stan jest splątany, jesli nie jest separowalny Przykład: stany Bella (pary EPR) ψ = 1 2 ( 00 ± 11 ) ψ = 1 2 ( 01 ± 10 ) Można je uważać za najbardziej splątane dla układów dwóch cząstek kwantowego
Definicja splątania Stany czyste i mieszane Matematyczny opis splątania Ogólniej, dla układu N cząstek splątanie oznacza, że: ψ ψ 1... ψ N kwantowego
Definicja splątania Stany czyste i mieszane Matematyczny opis splątania Ogólniej, dla układu N cząstek splątanie oznacza, że: ψ ψ 1... ψ N Jak (prosto) rozpoznać, czy dany stan jest splątany? kwantowego
Rozkład Schmidta Rozkład Schmidta Zaczynamy od układów dwucząstkowych kwantowego
Rozkład Schmidta Rozkład Schmidta Zaczynamy od układów dwucząstkowych Niech ψ = t ij i j, ψ H A H B (w ustalonej bazie) i,j kwantowego
Rozkład Schmidta Rozkład Schmidta Zaczynamy od układów dwucząstkowych Niech ψ = t ij i j, ψ H A H B (w ustalonej bazie) i,j Można zawsze znaleźć takie bazy w H A i H B, że ψ ma postać: ψ = λ k k k k (rozkład osobliwy macierzy {t ij } i,j=1,...,n ) kwantowego
Rozkład Schmidta Rozkład Schmidta Liczby (λ 1, λ 2,..., λ N ) nazywamy wektorem Schmidta kwantowego
Rozkład Schmidta Rozkład Schmidta Liczby (λ 1, λ 2,..., λ N ) nazywamy wektorem Schmidta Dla stanów separowalnych ψ = ψ A ψ B mamy tylko jeden składnik w rozkładzie, czyli: (λ 1, λ 2,..., λ N ) = (1, 0,..., 0) kwantowego
Rozkład Schmidta Rozkład Schmidta Liczby (λ 1, λ 2,..., λ N ) nazywamy wektorem Schmidta Dla stanów separowalnych ψ = ψ A ψ B mamy tylko jeden składnik w rozkładzie, czyli: (λ 1, λ 2,..., λ N ) = (1, 0,..., 0) Więcej niż jedno niezerowe λ i oznacza splątanie! kwantowego
Rozkład Schmidta Rozkład Schmidta Liczby (λ 1, λ 2,..., λ N ) nazywamy wektorem Schmidta Dla stanów separowalnych ψ = ψ A ψ B mamy tylko jeden składnik w rozkładzie, czyli: (λ 1, λ 2,..., λ N ) = (1, 0,..., 0) Więcej niż jedno niezerowe λ i oznacza splątanie! Dla stanu maksymalnie splątanego ψ = 1 N N i i i=1 mamy: ( 1 (λ 1,..., λ N ) = N,..., 1 ). N kwantowego
Rozkład Schmidta Rozkład Schmidta Wektor Schmidta jest niezmienniczy na lokalne unitarne transformacje: ψ U V U V ψ = k λ k U k V k kwantowego
Rozkład Schmidta Rozkład Schmidta Wektor Schmidta jest niezmienniczy na lokalne unitarne transformacje: ψ U V U V ψ = k λ k U k V k Łatwo go obliczyć kwantowego
Rozkład Schmidta Rozkład Schmidta Wektor Schmidta jest niezmienniczy na lokalne unitarne transformacje: ψ U V U V ψ = k λ k U k V k Łatwo go obliczyć Nie ma prostego uogólnienia na więcej niż dwa układy kwantowego
Aksjomaty miar splątania Entropia von Neumanna i destylowalność Które stany są mniej, a które bardziej splątane? kwantowego
Aksjomaty miar splątania Entropia von Neumanna i destylowalność Które stany są mniej, a które bardziej splątane? Intuicja: stan ψ = (1 ɛ) 00 + ɛ 11 jest prawie separowalny... kwantowego
Aksjomaty miar splątania Entropia von Neumanna i destylowalność Które stany są mniej, a które bardziej splątane? Intuicja: stan ψ = (1 ɛ) 00 + ɛ 11 jest prawie separowalny... W zastosowaniach (teleportacja stanu kwantowego, protokoły kryptograficzne) potrzebne jest możliwie czyste splątanie kwantowego
Aksjomaty Aksjomaty miar splątania Entropia von Neumanna i destylowalność Czego oczekujemy od dobrej miary splątania E? kwantowego
Aksjomaty Aksjomaty miar splątania Entropia von Neumanna i destylowalność Czego oczekujemy od dobrej miary splątania E? nieujemna, E( ψ ) 0 kwantowego
Aksjomaty miar splątania Entropia von Neumanna i destylowalność Aksjomaty Czego oczekujemy od dobrej miary splątania E? nieujemna, E( ψ ) 0 znika dla stanów separowalnych, E( ψ sep ) = 0 kwantowego
Aksjomaty miar splątania Entropia von Neumanna i destylowalność Aksjomaty Czego oczekujemy od dobrej miary splątania E? nieujemna, E( ψ ) 0 znika dla stanów separowalnych, E( ψ sep ) = 0 nie wzrasta przy lokalnych operacjach i klasycznej komunikacji, E(Λ( ψ )) E( ψ ) kwantowego
Aksjomaty miar splątania Entropia von Neumanna i destylowalność Lokalne operacje i klasyczna komunikacja (LOCC) Typowy protokół komunikacyjny: Alicja i Bob są w odległych laboratoriach, posiadają po jednej cząstce kwantowego
Aksjomaty miar splątania Entropia von Neumanna i destylowalność Lokalne operacje i klasyczna komunikacja (LOCC) Typowy protokół komunikacyjny: Alicja i Bob są w odległych laboratoriach, posiadają po jednej cząstce Alicja wykonuje pomiar, przesyła wynik Bobowi (klasycznym kanałem, np. przez telefon) kwantowego
Aksjomaty miar splątania Entropia von Neumanna i destylowalność Lokalne operacje i klasyczna komunikacja (LOCC) Typowy protokół komunikacyjny: Alicja i Bob są w odległych laboratoriach, posiadają po jednej cząstce Alicja wykonuje pomiar, przesyła wynik Bobowi (klasycznym kanałem, np. przez telefon) w zależności od wyniku Bob wykonuję jakąś operację, np. ewolucję unitarna kwantowego
Aksjomaty miar splątania Entropia von Neumanna i destylowalność Lokalne operacje i klasyczna komunikacja (LOCC) Typowy protokół komunikacyjny: Alicja i Bob są w odległych laboratoriach, posiadają po jednej cząstce Alicja wykonuje pomiar, przesyła wynik Bobowi (klasycznym kanałem, np. przez telefon) w zależności od wyniku Bob wykonuję jakąś operację, np. ewolucję unitarna Bob wykonuje pomiar, przesyła wynik Alicji kwantowego
Aksjomaty miar splątania Entropia von Neumanna i destylowalność Lokalne operacje i klasyczna komunikacja (LOCC) Typowy protokół komunikacyjny: Alicja i Bob są w odległych laboratoriach, posiadają po jednej cząstce Alicja wykonuje pomiar, przesyła wynik Bobowi (klasycznym kanałem, np. przez telefon) w zależności od wyniku Bob wykonuję jakąś operację, np. ewolucję unitarna Bob wykonuje pomiar, przesyła wynik Alicji... kwantowego
LOCC - c. d. Aksjomaty miar splątania Entropia von Neumanna i destylowalność Protokół może wytworzyć klasyczne korelacje pomiędzy układami Alicji i Boba kwantowego
Aksjomaty miar splątania Entropia von Neumanna i destylowalność LOCC - c. d. Protokół może wytworzyć klasyczne korelacje pomiędzy układami Alicji i Boba Miara splątania powinna mierzyć korelacje niemożliwe do odtworzenia klasycznie... kwantowego
Aksjomaty miar splątania Entropia von Neumanna i destylowalność LOCC - c. d. Protokół może wytworzyć klasyczne korelacje pomiędzy układami Alicji i Boba Miara splątania powinna mierzyć korelacje niemożliwe do odtworzenia klasycznie...... dlatego ma nie wzrastać przy wykonywaniu operacji tylko na jednym podukładzie i przy klasycznej komunikacji (entanglement monotone) kwantowego
Częściowy ślad Aksjomaty miar splątania Entropia von Neumanna i destylowalność Załóżmy, że mamy układ dwóch cząstek ρ na przestrzeni H A H B. kwantowego
Aksjomaty miar splątania Entropia von Neumanna i destylowalność Częściowy ślad Załóżmy, że mamy układ dwóch cząstek ρ na przestrzeni H A H B. Operacja częściowego śladu polega na odrzuceniu drugiego układu (interesuje nas tylko opis stanu pierwszego układu): Tr B ρ = i i ρ i, i H B kwantowego
Aksjomaty miar splątania Entropia von Neumanna i destylowalność Częściowy ślad Załóżmy, że mamy układ dwóch cząstek ρ na przestrzeni H A H B. Operacja częściowego śladu polega na odrzuceniu drugiego układu (interesuje nas tylko opis stanu pierwszego układu): Tr B ρ = i i ρ i, i H B Np. ρ = ρ A E, E - nieznany stan otoczenia (laboratorium, reszty Wszechświata...) kwantowego
Aksjomaty miar splątania Entropia von Neumanna i destylowalność Częściowy ślad Załóżmy, że mamy układ dwóch cząstek ρ na przestrzeni H A H B. Operacja częściowego śladu polega na odrzuceniu drugiego układu (interesuje nas tylko opis stanu pierwszego układu): Tr B ρ = i i ρ i, i H B Np. ρ = ρ A E, E - nieznany stan otoczenia (laboratorium, reszty Wszechświata...) Interesuje nas tylko stan ρ A, więc uśredniamy po możliwych stanach otoczenia. kwantowego
Stany EPR Aksjomaty miar splątania Entropia von Neumanna i destylowalność Dla separowalnego stanu ψ = 00 mamy: Tr B ψ ψ = 0 0 stan czysty (pełna informacja o stanie) kwantowego
Stany EPR Aksjomaty miar splątania Entropia von Neumanna i destylowalność Dla separowalnego stanu ψ = 00 mamy: Tr B ψ ψ = 0 0 stan czysty (pełna informacja o stanie) Dla stanu EPR ψ = 1 2 ( 00 + 11 ) Tr B ψ ψ = 1 2 0 0 + 1 1 1 2 stan całkowicie mieszany (pełna losowość, brak informacji o stanie) kwantowego
Aksjomaty miar splątania Entropia von Neumanna i destylowalność Stany EPR Dla separowalnego stanu ψ = 00 mamy: Tr B ψ ψ = 0 0 stan czysty (pełna informacja o stanie) Dla stanu EPR ψ = 1 2 ( 00 + 11 ) Tr B ψ ψ = 1 2 0 0 + 1 1 1 2 stan całkowicie mieszany (pełna losowość, brak informacji o stanie) Z punktu widzenia Alicji stan jej cząstki jest całkowicie losowy. kwantowego
Entropia Aksjomaty miar splątania Entropia von Neumanna i destylowalność Best possible knowledge of a whole does not include best possible knowledge of its parts and this is what keeps coming back to haunt us (Erwin Schrödinger, 1935). kwantowego
Entropia Aksjomaty miar splątania Entropia von Neumanna i destylowalność Best possible knowledge of a whole does not include best possible knowledge of its parts and this is what keeps coming back to haunt us (Erwin Schrödinger, 1935). Miarą losowości jest entropia kwantowego
Entropia von Neumanna Aksjomaty miar splątania Entropia von Neumanna i destylowalność Dla dowolnego stanu ρ określamy jego entropię S(ρ) = Tr(ρ log ρ) kwantowego
Aksjomaty miar splątania Entropia von Neumanna i destylowalność Entropia von Neumanna Dla dowolnego stanu ρ określamy jego entropię S(ρ) = Tr(ρ log ρ) Dla stanu ψ H A H B określamy entropię von Neumanna: S(ψ) = S (Tr B ψ ψ ) kwantowego
Aksjomaty miar splątania Entropia von Neumanna i destylowalność Entropia von Neumanna Dla dowolnego stanu ρ określamy jego entropię S(ρ) = Tr(ρ log ρ) Dla stanu ψ H A H B określamy entropię von Neumanna: S(ψ) = S (Tr B ψ ψ ) Mamy: S(ψ) = i λ i 2 log λ i 2 λ i - liczby Schmidta kwantowego
Entropia von Neumanna Aksjomaty miar splątania Entropia von Neumanna i destylowalność Nieujemna kwantowego
Aksjomaty miar splątania Entropia von Neumanna i destylowalność Entropia von Neumanna Nieujemna Znika dla stanów separowalnych kwantowego
Aksjomaty miar splątania Entropia von Neumanna i destylowalność Entropia von Neumanna Nieujemna Znika dla stanów separowalnych Maksymalna dla stanów typu EPR kwantowego
Aksjomaty miar splątania Entropia von Neumanna i destylowalność Entropia von Neumanna Nieujemna Znika dla stanów separowalnych Maksymalna dla stanów typu EPR Jest LOCC-monotoniczna kwantowego
Destylowalność Aksjomaty miar splątania Entropia von Neumanna i destylowalność Entropia von Neumanna ma wyraźny sens operacyjny kwantowego
Aksjomaty miar splątania Entropia von Neumanna i destylowalność Destylowalność Entropia von Neumanna ma wyraźny sens operacyjny Wyobraźmy sobie, że mamy m kopii dowolnego stanu ψ, ψ... ψ kwantowego
Aksjomaty miar splątania Entropia von Neumanna i destylowalność Destylowalność Entropia von Neumanna ma wyraźny sens operacyjny Wyobraźmy sobie, że mamy m kopii dowolnego stanu ψ, ψ... ψ Chcemy za pomocą jakiegoś LOCC-protokołu otrzymać możliwie dużo n stanów EPR (destylacja splątania) ψ m LOCC EPR n kwantowego
Aksjomaty miar splątania Entropia von Neumanna i destylowalność Destylowalność Entropia von Neumanna ma wyraźny sens operacyjny Wyobraźmy sobie, że mamy m kopii dowolnego stanu ψ, ψ... ψ Chcemy za pomocą jakiegoś LOCC-protokołu otrzymać możliwie dużo n stanów EPR (destylacja splątania) ψ m LOCC EPR n Okazuje się, że n lim m m = S(ψ)! kwantowego
Destylowalność Aksjomaty miar splątania Entropia von Neumanna i destylowalność Entropia von Neumanna ma wyraźny sens operacyjny Wyobraźmy sobie, że mamy m kopii dowolnego stanu ψ, ψ... ψ Chcemy za pomocą jakiegoś LOCC-protokołu otrzymać możliwie dużo n stanów EPR (destylacja splątania) ψ m LOCC EPR n n Okazuje się, że lim m m = S(ψ)! Stan EPR służy tu jako jednostka zasobu, jakim jest splątanie kwantowego
Ułlady wielu cząstek Co z układami więcej niż dwóch cząstek (np. H 1 H 2 H 3 )? kwantowego
Ułlady wielu cząstek Co z układami więcej niż dwóch cząstek (np. H 1 H 2 H 3 )? W przeciwieństwie do układów dwóch cząstek nie ma kanonicznego stanu splątanego: GHZ = 1 2 ( 000 + 111 ) W = 1 3 ( 001 + 010 + 100 ) kwantowego
Stany GHZ i W Po odrzuceniu którejkolwiek z cząstek (częściowy ślad) stan GHZ staje się separowalny... kwantowego
Stany GHZ i W Po odrzuceniu którejkolwiek z cząstek (częściowy ślad) stan GHZ staje się separowalny...... a stan W pozostaje splątany! kwantowego
Stany GHZ i W Po odrzuceniu którejkolwiek z cząstek (częściowy ślad) stan GHZ staje się separowalny...... a stan W pozostaje splątany! W stanie GHZ cząstki są splątane tylko wszystkie naraz, a w stanie W są splątane parami kwantowego
Stany GHZ i W Po odrzuceniu którejkolwiek z cząstek (częściowy ślad) stan GHZ staje się separowalny...... a stan W pozostaje splątany! W stanie GHZ cząstki są splątane tylko wszystkie naraz, a w stanie W są splątane parami Co z innymi możliwościami? EPR EPR GHZ W + W GHZ... kwantowego
Desery Bibliografia Desery Splątanie stanów mieszanych Teoria odwzorowań dodatnich, kryterium Horodeckich Niezmienniki wielomianowe Uogólnione stany koherentne...... i wiele innych tematów. kwantowego
Desery Bibliografia Bibliografia K.Horodecki, M. Horodecki, P. Horodecki, R. Horodecki Quantum entanglement (arxiv: quant-ph/0702225) I. Chuang, M. Nielsen Quantum Computation and Quantum Information kwantowego
Desery Bibliografia Bibliografia K.Horodecki, M. Horodecki, P. Horodecki, R. Horodecki Quantum entanglement (arxiv: quant-ph/0702225) I. Chuang, M. Nielsen Quantum Computation and Quantum Information Na deser (niezwiązany z nauką): kwantowego
Desery Bibliografia Bibliografia K.Horodecki, M. Horodecki, P. Horodecki, R. Horodecki Quantum entanglement (arxiv: quant-ph/0702225) I. Chuang, M. Nielsen Quantum Computation and Quantum Information Na deser (niezwiązany z nauką): students.mimuw.edu.pl/~mk249019/konkurs-bosch.html kwantowego