O symetrycznej rozszerzalności stanów kwantowych i jej zastosowaniach

Podobne dokumenty
Instytut Fizyki Teoretycznej i Astrofizyki Uniwersytet Gdański Gdańsk, Sprawozdanie z pracy naukowej w roku 2005

Miary splątania kwantowego

Instytut Fizyki Teoretycznej i Astrofizyki Uniwersytet Gdański Gdańsk, Sprawozdanie z pracy naukowej w roku 2004

Splątanie a przesyłanie informacji

Sprawozdanie z pracy naukowej w roku SYNTETYCZNE PODSUMOWANIE DZIAŁALNOŚCI NAUKOWO-BADAWCZEJ

Kwantowa kooperacja. Robert Nowotniak. Wydział Fizyki Technicznej, Informatyki i Matematyki Stosowanej Politechnika Łódzka

Instytut Fizyki Teoretycznej i Astrofizyki Uniwersytet Gdański Gdańsk, Sprawozdanie z pracy naukowej w roku 2006

Instytut Fizyki Teoretycznej i Astrofizyki Gdańsk, Uniwersytet Gdański. Informacja o współpracy z zagranicą w roku 2004

Internet kwantowy. (z krótkim wstępem do informatyki kwantowej) Jarosław Miszczak. Instytut Informatyki Teoretycznej i Stosowanej PAN

Elektrotechnika II stopień ogólnoakademicki. stacjonarne. przedmiot specjalnościowy. obowiązkowy polski semestr II semestr letni. tak. Laborat. 30 g.

WYMAGANIA WSTĘPNE W ZAKRESIE WIEDZY, UMIEJĘTNOŚCI I INNYCH KOMPETENCJI

Matryca weryfikacji efektów kształcenia - studia III stopnia

Protokół teleportacji kwantowej

Jacek Jurkowski. Korelacje nieklasyczne Kwantowe splątanie i dyskord

Różne oblicza splątania kwantowego

Problemy rozwoju Internetu kwantowego

Teoria sterowania Control theory. Elektrotechnika I stopień ogólnoakademicki. niestacjonarne. przedmiot kierunkowy

Opis efektów uczenia się dla kwalifikacji na poziomie 7 Polskiej Ramy Kwalifikacji

Podstawy fizyki: Budowa materii. Podstawy fizyki: Mechanika MS. Podstawy fizyki: Mechanika MT. Podstawy astronomii. Analiza matematyczna I, II MT

ZAGADNIENIA PROGRAMOWE I WYMAGANIA EDUKACYJNE DO TESTU PRZYROSTU KOMPETENCJI Z MATEMATYKI DLA UCZNIA KLASY II

I. OGÓLNE INFORMACJE PODSTAWOWE O PRZEDMIOCIE. Nie dotyczy. podstawowy i kierunkowy

Kwantowa implementacja paradoksu Parrondo

01, 02, 03 i kolejne numer efektu kształcenia. Załącznik 1 i 2

TELEPORTACJA NIEZNANEGO STANU KWANTOWEGO

PROGRAM KSZTAŁCENIA NA STUDIACH III STOPNIA Informatyka (nazwa kierunku)

Instytut Fizyki Teoretycznej i Astrofizyki Uniwersytet Gdański Gdańsk, Sprawozdanie z pracy naukowej w roku 2002

Kwantowe splątanie dwóch atomów

Sprawozdanie z pracy naukowej w roku 2009

KIERUNKOWE EFEKTY KSZTAŁCENIA

POISSONOWSKA APROKSYMACJA W SYSTEMACH NIEZAWODNOŚCIOWYCH

KARTA PRZEDMIOTU 2. KIERUNEK: BEZPIECZEŃSTWO NARODOWE, STUDIA STACJONARNE

UCHWAŁA Nr 31/2014 Senatu Uniwersytetu Wrocławskiego z dnia 26 marca 2014 r.

AKADEMIA SZTUK PIĘKNYCH IM. JANA MATEJKI W KRAKOWIE WYDZIAŁ ARCHITEKTURY WNĘTRZ

O spl ataniu kwantowym s lów kilka

Efektywność algorytmów

MOŻLIWOŚCI PRZESYŁANIA INFORMACJI W SIECIACH Z WYKORZYSTANIEM EFEKTÓW KWANTOWYCH 1

Spis treści. Przedmowa... XI. Rozdział 1. Pomiar: jednostki miar Rozdział 2. Pomiar: liczby i obliczenia liczbowe... 16

Kwantowe stany splątane w układach wielocząstkowych. Karol Życzkowski (UJ / CFT PAN) 44 Zjazd PTF Wrocław, 12 września 2017

przetworzonego sygnału

Algorytm Grovera. Kwantowe przeszukiwanie zbiorów. Robert Nowotniak

VIII. TELEPORTACJA KWANTOWA Janusz Adamowski

SPIS TREŚCI PRZEDMOWA... 13

M T E O T D O ZI Z E E A LG L O G R O Y R TM

Nanofizyka co wiemy, a czego jeszcze szukamy?

Porównanie generatorów liczb losowych wykorzystywanych w arkuszach kalkulacyjnych

Wysokowydajne falowodowe źródło skorelowanych par fotonów

Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki. Karta przedmiotu. obowiązuje studentów rozpoczynających studia w roku akademickim 2016/2017

Metody Ilościowe w Socjologii

Kierunek: Matematyka Poziom studiów: Studia II stopnia Forma i tryb studiów: Stacjonarne

Model procesu dydaktycznego

KIERUNKOWE EFEKTY KSZTAŁCENIA

30 2 Zal. z oc. Język obcy nowożytny 60/ Zal z oc. 8 Psychologia 15/ Zal z oc. 9 Pedagogika 30/ Zal z oc.

EFEKTY KSZTAŁCENIA DLA KIERUNKU STUDIÓW INFORMATYKA

ZAŁĄCZNIK NR 2 Uchwała Rady Wydziału Elektrotechniki i Informatyki Politechniki Lubelskiej z dnia 3 czerwca 2013 r

Rozdział. Symulacyjne badanie splątania w protokołach kryptograficznych Motywacja

Dwuletnie studia indywidualne II stopnia na kierunku fizyka, specjalność Fizyka matematyczna

SCENARIUSZ LEKCJI. TEMAT LEKCJI: Zastosowanie średnich w statystyce i matematyce. Podstawowe pojęcia statystyczne. Streszczenie.

WYDZIAŁ MATEMATYKI KARTA PRZEDMIOTU

Zasady studiów magisterskich na kierunku fizyka

Odniesienie do efektów kształcenia dla obszaru nauk EFEKTY KSZTAŁCENIA Symbol

UCHWAŁA Nr 25 Rady Wydziału Nauk Technicznych Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego w Olsztynie z dnia 6 czerwca 2013 roku

FIZYKA A NAUKI SPOŁECZNE KILKA PROBLEMÓW DO WYJAŚNIENIA

Matematyka zajęcia fakultatywne (Wyspa inżynierów) Dodatkowe w ramach projektu UE

ZASTOSOWANIE TECHNIK CHEMOMETRYCZNYCH W BADANIACH ŚRODOWISKA. dr inż. Aleksander Astel

Wymagania programowe z matematyki na poszczególne oceny w klasie III A i III B LP. Kryteria oceny

Obszarowe efekty kształcenia dla obszaru nauk ścisłych. Obszarowe efekty kształcenia dla obszaru nauk przyrodniczych

STUDIA I STOPNIA NA KIERUNKU ASTRONOMIA UW

Efekty kształcenia dla kierunku studiów CHEMIA studia pierwszego stopnia profil ogólnoakademicki

Analiza regresji - weryfikacja założeń

Zasady studiów magisterskich na kierunku astronomia

Efekt kształcenia. Ma uporządkowaną, podbudowaną teoretycznie wiedzę ogólną w zakresie algorytmów i ich złożoności obliczeniowej.

Opinia o pracy doktorskiej pt. On active disturbance rejection in robotic motion control autorstwa mgr inż. Rafała Madońskiego

Elektrotechnika II stopień ogólnoakademicki. stacjonarne. przedmiot specjalnościowy. obowiązkowy polski semestr I semestr zimowy

KARTA PRZEDMIOTU 2. KIERUNEK: BEZPIECZEŃSTWO NARODOWE, STUDIA STACJONARNE

Program kształcenia na studiach doktoranckich Wydziału Fizyki

Karta (sylabus) przedmiotu

PROGRAM SEMINARIUM ZAKOPANE czwartek, 2 grudnia 2010 r. Sesja przedpołudniowa. Otwarcie seminarium Prof. dr hab. inż. Tadeusz Czachórski

Rodzaj zajęć dydaktycznych * O/F ** Forma

Teoria zmiany w praktyce. Marilyn Taylor Institute for Voluntary Action

Elektrotechnika I stopień ogólnoakademicki. niestacjonarne. przedmiot kierunkowy. obieralny polski semestr VIII semestr letni. nie. Laborat. 16 g.

Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki. Karta przedmiotu. obowiązuje studentów rozpoczynających studia w roku akademickim 2017/2018

Umiejscowienie kierunku w obszarze kształcenia

komputery? Andrzej Skowron, Hung Son Nguyen Instytut Matematyki, Wydział MIM, UW

KARTA PRZEDMIOTU 1. NAZWA PRZEDMIOTU: WYMIARY I RODZAJE WSPÓŁCZESNEGO BEZPIECZEŃSTWA 2. KIERUNEK: BEZPIECZEŃSTWO NARODOWE, STUDIA STACJONARNE

Wykorzystanie metod ewolucyjnych w projektowaniu algorytmów kwantowych

SCENARIUSZ TEMATYCZNY. Prawa Keplera (fizyka, informatyka poziom rozszerzony)

Spis treści 3 SPIS TREŚCI

Kierunek: Matematyka Poziom studiów: Studia II stopnia Forma i tryb studiów: Stacjonarne

CZY INFORMATYKOM MUSI WYSTARCZYĆ NIESKOŃCZONOŚĆ POTENCJALNA?

Kierunek: Matematyka Poziom studiów: Studia II stopnia Forma i tryb studiów: Stacjonarne

Kierunek: Matematyka Poziom studiów: Studia II stopnia Forma i tryb studiów: Stacjonarne

Statystyczna analiza awarii pojazdów samochodowych. Failure analysis of cars

zna metody matematyczne w zakresie niezbędnym do formalnego i ilościowego opisu, zrozumienia i modelowania problemów z różnych

MATeMAtyka 3. Przedmiotowy system oceniania wraz z określeniem wymagań edukacyjnych. Zakres podstawowy i rozszerzony. Zakres podstawowy i rozszerzony

Porównanie umiejętności matematycznych uczniów, którzy w 2007 roku pisali próbną maturę na poziomie podstawowym lub rozszerzonym

Nazwa przedmiotu. 1 Matematyka. 2 Fizyka. 3 Informatyka. 4 Rysunek techniczny. 12 Język angielski. 14 Podstawy elektroniki. 15 Architektura komputerów

Plan studiów dla kierunku:

Nierównowagowe kondensaty polarytonów ekscytonowych z gigantycznym rozszczepieniem Zeemana w mikrownękach półprzewodnikowych

STUDIA I STOPNIA NA KIERUNKU FIZYKA UW

Transkrypt:

Politechnika Gdańska Wydział Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej Katedra Fizyki Teoretycznej i Informatyki Kwantowej Streszczenie rozprawy doktorskiej O symetrycznej rozszerzalności stanów kwantowych i jej zastosowaniach mgr inż. Marcin Nowakowski Promotor: Prof. Dr hab. Paweł Horodecki Gdańsk 2016

Lista publikacji: 1. M. L. Nowakowski, P. Horodecki, A simple test for quantum channel capacity, J. Phys. A: Math. Theor. 42, 135306 (2009). 2. M. L. Nowakowski, P. Horodecki, Efficient bounds on quantum communication rates via their reduced variants, Phys. Rev. A 82, 042342 (2010). 3. M. Nowakowski, The symmetric extendibility of quantum states, J. Phys. A: Math. Theor. 49, 385301 (2016). 4. M. Nowakowski, Monogamy of quantum entanglement in time, Preprint quantph/1604.03976 (submitted to Phys. Rev. A). 5. M. Nowakowski, Quantum entanglement in time, American Institute of Phys. Conf. Proc.: Quantum Retrocausation III (2016). 1

Streszczenie Rozprawa doktorska jest poświęcona analizie symetrycznej rozszerzalności stanów kwantowych i jej zastosowaniom w obszarze kwantowej teorii informacji, w szczególności w obszarze destylacji splątania kwantowego, teorii kanałów kwantowych, kwantowego bezpieczeństwa oraz monogamii splątania kwantowego w czasie. W pracy bada się geometrię zbioru stanów symetrycznie rozszerzalnych, tzn. stanów kwantowych, które posiadają symetryczne rozszerzenia, i dowodzi się, że zbiór ten jest zamknięty pod działaniem operatorów 1-LOCC, co ma istotne znaczenie dla dalszych zastosowań w jednokierunkowej destylowalności splątania kwantowego i teorii kanałów kwantowych. Stosując izomorfizm Choi-Jamiołkowskiego [1] między stanami kwantowymi a kanałami kwantowymi, wprowadza się test na pojemność kanałów kwantowych. Dyskutujemy związki między monogamią splątania kwantowego a teorią Bella oraz symetryczną rozszerzalnością. Przedmiotem badań jest także teoria miar splątania kwantowego i jej relacja do własności symetrycznej rozszerzalności. Wprowadzamy nowe monotony splątania oraz parametry splątania, które są stosowane dalej, jako ograniczenie górne na destylowalne splątanie kwantowe. Definiujemy także koncepcję zredukowanych wariantów pewnych miar kwantowych, wskazując, że mogą być one efektywną estymacją miar kwantowych niezredukowanych. Bazując na paradygmacie konsystentnych splątanych historii, wprowadzających pojęcie splątania kwantowego w czasie, badamy monogamiczność partykularnej historii oraz wyprowadzamy analityczne ograniczenie Tsirelsona [15] na czasowe nierówności Leggetta- Garga [16]. Rezultaty przedstawione w tej dysertacji dowodzą ważności koncepcji symetrycznej rozszerzalności dla dalszego rozwoju kwantowej teorii informacji. Przedłożona rozprawa doktorska składa się z 10 rozdziałów zawartych na 137 stronach. Do rozprawy napisanej w języku angielskim dołączono streszczenie w języku angielskim oraz polskim. Rozprawa zawiera 13 rysunków oraz 171 pozycji bibliograficznych. Struktura rozprawy jest następująca: Rozdział 1 przedstawia główne cele pracy oraz opisuje strukturę dysertacji. Dodano także listę publikacji autora. W Rozdziale 2 wprowadzono fundamentalne pojęcia oraz narzędzia kwantowej teorii informacji, konieczne do zrozumienia następnych rozdziałów. Szczególny nacisk położono na teorię kanałów kwantowych oraz teorię splątania kwantowego. Rozdział 3 jest poświęcony koncepcji monogamii splątania kwantowego (w przestrzeni) oraz teorii Bella [2]. W rozdziale tym omawiamy lokalny realizm i założenia stojące za nierównościami Bella, eksplorujemy również związki między symetryczną rozszerzalnością a możliwością łamania nierówności Bella. 2

W Rozdziale 4 analizujemy dogłębnie kwantowe stany, posiadające cechę symetrycznej rozszerzalności oraz badamy geometrię zbioru takich stanów. W szczególności, wykazujemy, że nie można zredukować maksymalnej rozszerzalności stanów kwantowych, nawet jeśli działa się operacjami 1-LOCC (lokalne operacje kwantowe z towarzyszącą klasyczną komunikacją jedno-kierunkową) na wiele kopii stanu kwantowego. Wynik ten jest obecnie szeroko stosowany w literaturze [3-7]. Dyskutujemy dalej symetryczną rozszerzalność układów złożonych oraz przedstawiamy hierarchię testów separowalności stanów kwantowych opartą na symetrycznej rozszerzalności stanów. W Rozdziale 5 przedstawiono analitycznie wyprowadzone symetryczne rozszerzenia stanów izotropowych. Ten rezultat jest istotny ze względu na fakt [8], że wszystkie stany kwantowe dla układów podwójnych mogą być przetransformowane pod wpływem losowych operacji U U* - twirlingu w stany izotropowe. W oparciu o ten wynik, proponujemy nowy parametr splątania kwantowego zbudowany na dystansie znormalizowanej entropi względnej względem zbioru stanów symetrycznie rozszerzalnych. Rozdział 6 jest poświęcony zastosowaniom koncepcji symetrycznej rozszerzalności do teorii destylacji splątania kwantowego oraz teorii miar splątania kwantowego. Przypominamy w nim główne koncepcje związane z protokołami destylacji kwantowej oraz miarami kwantowymi. W rozdziale zostaje wprowadzony nowy monoton splątania kwantowego zbudowany na najlepszej symetrycznie rozszerzalnej aproksymacji stanu kwantowego. Wprowadzamy także koncepcję zredukowanej miary jedno-kierunkowego destylowalnego splątania oraz dowodzimy, że jest ona ograniczeniem górnym na destylowalne splątania. Dowodzimy także, że wprowadzony wcześniej parametr splątania (w oparciu o dystans entropii względnej) jest dobrym ograniczeniem górnym na jednokierunkowe destylowalne splątanie kwantowe. Wszystkie te wyniki są nowe w literaturze przedmiotu. Tematem Rozdziału 7 jest teoria kanałów kwantowych i ich symetrycznej rozszerzalności. Dyskutujemy w nim miary pojemności kanałów kwantowych oraz ich addytywność. Przedstawiamy szybki test na pojemność dowolnego kanału kwantowego, który jest oparty na obserwacji, że splątanie kwantowe jest monogamiczne i nie pozwala na perfekcyjne klonowanie stanu kwantowego, tym samym implikuje dla kanałów kwantowych, izomorficznych z symetrycznie rozszerzalnymi stanami kwantowymi, zerową pojemność. Przedstawiamy także nowe pojęcie zredukowanej pojemności kanału kwantowego, która w pewnych przypadkach istotnie obniża złożoność problemu poszukiwania pojemności kwantowej zadanego kanału kwantowego. Ta wielkość jest także nowym ograniczeniem górnym na kwantową pojemność kanału kwantowego. Przykładem zastosowania symetrycznej rozszerzalności jest także omówienie super-aktywacji pojemności kanałów kwantowych [9]. W Rozdziale 8 analizujemy bezpieczeństwo kwantowych korelacji w kontekście symetrycznej rozszerzalności. Wprowadzamy pojęcia zredukowanego klucza kwantowego i dowodzimy, że może on być ograniczeniem górnym klucza kwantowego. Przedstawiamy także nowe wyniki dotyczące ograniczenia klucza kwantowego w funkcjach odległości od zbioru stanów symetrycznie rozszerzalnych. Rozdział 9 poświęcony jest nowej dziedzinie dotyczącej korelacji kwantowych w czasie. Zagadnienie kwantowego splątania w czasie analizowane jest na gruncie splątanych 3

historii konsystentnych [10-12], ostatnio zmodyfikowanej wersji teorii historii dekoherentnych [13-14]. Wykazujemy, że w podobieństwie do monogamii splątania kwantowego w przestrzeni związanego z symetryczną rozszerzalnością, splątanie kwantowe w czasie jest także monogamiczne dla partykularnej historii. Dowodzimy także analitycznie, w oparciu o splątane historie konsystentne, ograniczenie Tsirelsona [15] na czasowe nierówności Leggetta-Garga [16], co potwierdza wyniki osiągnięte numerycznie w oparciu o optymalizację wypukłą. W Rozdziale 10 dokonujemy przeglądu głównych wyników rozprawy doktorskiej oraz omawiamy potencjalne kierunki dalszych badań. Literatura [1] A. Jamiolkowski, Rep. Math. Phys. 3, 275 (1972). [2] J. S. Bell, Physics 1, 195 (1964). [3] T. Moroder, N. Lutkenhaus, Phys. Rev. A 74, 052301 (2006). [4] G. O. Myhr, N. Lutkenhaus, Phys. Rev. A 79, 062307 (2009). [5] G. O. Myhr et. al., Symmetric extensions in two-way quantum key distribution, Preprint quant-ph/0812.3607v1 (2008). [6] Jianxin Chen et. al, Phys. Rev. A 90, 032318 (2014). [7] A. Milne, D. Jennings, S. Jevtic et al., Phys. Rev. A 90, 1050 (2014). [8] R. F. Werner, Phys. Rev. A 40, 4277 (1989). [9] G. Smith and J. Yard, Science 321, 1812 (2008). [10] J. Cotler, F. Wilczek, Entangled Histories, Preprint quant-ph/1502.02480 (2015). [11] J. Cotler, F. Wilczek, Bell Tests for Histories, Preprint quant-ph/1503.06458 (2015). [12] J. Cotler, F. Wilczek et al., Experimental Test of Entangled Histories, Preprint quantph/1601.02943 (2016). [13] R. Griffiths, Phys. Rev. Lett 70, 2201-204 (1993). [14] R. Griffiths, Consistent Quantum Theory, Cambridge: Cambridge UP, (2002). [15] B. S. Cirel son, Lett. Math. Phys. 4, 93-100 (1980). [16] A. J. Leggett and A. Garg, Phys. Rev. Lett. 54, 857 (1985). 4