1Departamento de Física, Escuela de Graduados en Ciencias, Universidad de Tokio, Hongo 7-3-1, Bunkyo-ku, Tokio 113-0033, Japón
2División de Investigación de Principios de Informática, Instituto Nacional de Informática, 2-1-2 Hitotsubashi, Chiyoda-ku, Tokio 101-8430, Japón
3Departamento de Informática, Escuela de Ciencias Multidisciplinarias, SOKENDAI (Universidad de Graduados para Estudios Avanzados), 2-1-2 Hitotsubashi, Chiyoda-ku, Tokio 101-8430, Japón
4Trans-scale Quantum Science Institute, Universidad de Tokio, Bunkyo-ku, Tokio 113-0033, Japón
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Resumen
Las operaciones de isometría codifican la información cuántica del sistema de entrada a un sistema de salida más grande, mientras que la operación de decodificación correspondiente sería una operación inversa de la operación de isometría de codificación. Dada una operación de codificación como una caja negra de un sistema de $d$-dimensional a un sistema de $D$-dimensional, proponemos un protocolo universal para la inversión de isometría que construye un decodificador a partir de múltiples llamadas de la operación de codificación. Este es un protocolo probabilístico pero exacto cuya probabilidad de éxito es independiente de $D$. Para un qubit ($d=2$) codificado en $n$ qubits, nuestro protocolo logra una mejora exponencial sobre cualquier método de incrustación unitaria o basado en tomografía, que no puede evitar la dependencia de $D$. Presentamos una operación cuántica que convierte múltiples llamadas paralelas de cualquier operación de isometría dada en operaciones unitarias paralelizadas aleatorias, cada una de dimensión $d$. Aplicado a nuestra configuración, comprime universalmente la información cuántica codificada en un espacio independiente de $D$, mientras mantiene intacta la información cuántica inicial. Esta operación de compresión se combina con un protocolo de inversión unitaria para completar la inversión de isometría. También descubrimos una diferencia fundamental entre nuestro protocolo de inversión de isometría y los protocolos de inversión unitaria conocidos al analizar la conjugación compleja de isometría y la transposición de isometría. Los protocolos generales que incluyen un orden causal indefinido se buscan usando programación semidefinida para cualquier mejora en la probabilidad de éxito sobre los protocolos paralelos. Encontramos un protocolo secuencial de “éxito o empate” de inversión de isometría universal para $d = 2$ y $D = 3$, por lo tanto, cuya probabilidad de éxito mejora exponencialmente sobre protocolos paralelos en el número de llamadas de la operación de isometría de entrada para el dicho caso.
Resumen popular
Cabe destacar que la probabilidad de éxito de nuestro protocolo no depende de la dimensión de salida de la operación de isometría. La estrategia directa para la inversión de isometría utilizando protocolos conocidos es ineficiente porque su probabilidad de éxito depende de la dimensión de salida, que suele ser mucho mayor que la dimensión de entrada. Por tanto, el protocolo propuesto en este trabajo supera al mencionado protocolo. También comparamos la inversión isométrica con la inversión unitaria y mostramos una diferencia crucial entre ellas. Cualquier protocolo de inversión de isometría no puede estar compuesto de conjugación y transposición complejas de las operaciones de entrada, mientras que el protocolo de inversión unitario conocido sí puede.
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