Ortonormale baser for ekstrem kvantitet

Ortonormale baser for ekstrem kvantitet

Kilde node: 3083690

Marcin Rudziński1,2, Adam Burchardt3og Karol Życzkowski1,4

1Fakultet for fysikk, astronomi og anvendt informatikk, Jagiellonian University, ul. Łojasiewicza 11, 30-348 Kraków, Polen
2Doctoral School of Exact and Natural Sciences, Jagiellonian University, ul. Łojasiewicza 11, 30-348 Kraków, Polen
3QuSoft, CWI og University of Amsterdam, Science Park 123, 1098 XG Amsterdam, Nederland
4Senter for teoretisk fysikk, Polsk vitenskapsakademi, Al. Lotników 32/46, 02-668 Warszawa, Polen

Finn dette papiret interessant eller vil diskutere? Scite eller legg igjen en kommentar på SciRate.

Abstrakt

Spin antikoherente tilstander har nylig fått mye oppmerksomhet som de mest "kvante" tilstandene. Noen koherente og antikoherente spinntilstander er kjent som optimale kvante-rotosensorer. I dette arbeidet introduserer vi et mål på kvante for ortonormale baser av spinntilstander, bestemt av gjennomsnittlig antikoherens av individuelle vektorer og Wehrl-entropien. På denne måten identifiserer vi de mest koherente og mest kvantetilstander, som fører til ortogonale målinger av ekstrem kvantetilstand. Symmetriene deres kan avsløres ved hjelp av Majorana-stjernerepresentasjonen, som gir en intuitiv geometrisk representasjon av en ren tilstand ved punkter på en kule. Resultatene som er oppnådd fører til maksimalt (minimalt) sammenfiltrede baser i det $2j+1$ dimensjonale symmetriske underrommet til det dimensjonale $2^{2j}$ dimensjonsrommet av tilstander til flerpartite systemer sammensatt av $2j$ qubits. Noen baser funnet er iso-koherente da de består av alle tilstander med samme grad av spinn-koherens.

Extremal states, coherent and anticoherent, have practical applications in quantum metrology as optimal rotosensors. This work provides a natural extension of previous studies concerning the search for such states proposing optimal orthogonal measurements of Lüders and von Neumann of the extreme spin coherence. We introduce the measure $mathcal{B}_t$ as the tool to characterize the quantumness of a measurement given by a basis in $mathcal{H}_N$. The search for the most quantum bases for $N=3,4,5$ and $7$ is performed. Numerical results suggest, that the obtained solutions are unique. A set of candidates for the “classical” bases consisting of the most spin-coherent states is indicated for $N=3,4,5,6$. Some of the most quantum bases, analyzed in the stellar representation of Majorana, reveal symmetries of Platonic solids. Most classical bases display symmetric structures too. We also considered other measures of the quantumness of vectors forming a given basis. Optimization of the mean Wehrl entropy of $N$ orthogonal vectors leads to the same bases distinguished by extremal values of the quantities $mathcal{B}_t$, with a single exception of the quantum basis for $N=6$.

► BibTeX-data

► Referanser

[1] T. Frankel, The Geometry of Physics: An Introduction, 3. utgave, Cambridge University Press (2011).
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9781139061377

[2] D. Chruściński og A. Jamiołkowski, Geometriske faser i klassisk og kvantemekanikk, Birkhäuser (2004).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-0-8176-8176-0

[3] DA Lee, Geometric relativity, American Mathematical Society, Providence (2021).
https: / / doi.org/ 10.1090 / gsm / 201

[4] I. Bengtsson, og K. Życzkowski, Geometry of Quantum States: An Introduction to Quantum Entanglement, 2. utgave, Cambridge University Press (2017).
https: / / doi.org/ 10.1017 / 9781139207010

[5] M. Lewin, Geometriske metoder for ikke-lineære kvantesystemer med mange kropper, J. Functional Analysis 260, 12, (2011).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.jfa.2010.11.017

[6] E. Cohen, H. Larocque, F. Bouchard et al., Geometrisk fase fra Aharonov–Bohm til Pancharatnam–Berry og videre, Nat. Rev. Phys. 1, 437–449 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s42254-019-0071-1

[7] E. Majorana Atomi orientati in campo magnetico variable, Nuovo Cimento 9, 43-50 (1932).
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF02960953

[8] R. Barnett, A. Turner og E. Demler, Klassifisering av nye faser av spinoratomer, Phys. Rev. Lett. 97, 180412 (2006).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.97.180412

[9] R. Barnett, A. Turner og E. Demler, Classifying vortices in $S=3$ Bose-Einstein condensates, Phys. Rev. A 76, 013605 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.76.013605

[10] H. Mäkelä, og K.-A. Suominen, Inerte tilstander til spinnsystemer, Phys. Rev. Lett. 99, 190408 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.99.190408

[11] E. Serrano-Ensástiga og F. Mireles, Fasekarakterisering av spinor Bose-Einstein-kondensater: en Majorana-stjernerepresentasjonstilnærming, Phys. Lett. A 492, 129188 (2023).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.physleta.2023.129188

[12] P. Mathonet et al., Entanglement-ekvivalens av $N$-qubit symmetriske tilstander, Phys. Rev. A 81, 052315 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.81.052315

[13] J. Martin, O. Giraud, PA Braun, D. Braun og T. Bastin, Multiqubit symmetriske tilstander med høy geometrisk sammenfiltring, Phys. Rev. A 81, 062347 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.81.062347

[14] M. Aulbach, DJH Markham og M. Murao, Den maksimalt sammenfiltrede symmetriske tilstanden når det gjelder det geometriske målet, New J. Phys. 12, 073025 (2010).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​12/​7/​073025

[15] DJH Markham, Entanglement og symmetri i permutasjonssymmetriske tilstander, Phys. Rev. A 83, 042332 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.83.042332

[16] P. Ribeiro og R. Mosseri, Entanglement in the symmetrisk sector of $n$ qubits, Phys. Rev. Lett. 106, 180502 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.106.180502

[17] M.Aulbach, Klassifisering av sammenfiltring i symmetriske tilstander, Int. J. Quantum Inform. 10, 1230004 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1142 / S0219749912300045

[18] W. Ganczarek, M. Kuś og K. Życzkowski, Barysentrisk mål for kvantesammenfiltring, Phys. Rev. A 85, 032314 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.85.032314

[19] A. Mandilara, T. Coudreau, A. Keller og P. Milman, Entanglement-klassifisering av rene symmetriske tilstander via spinnkoherente tilstander, Phys. Rev. A 90, 050302(R) (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.90.050302

[20] P. Hyllus, et al., Fisher information and multiparticle entanglement, Phys. Rev. A 85, 022321 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.85.022321

[21] JH Hannay, Berry-fasen for spinn i Majorana-representasjonen, J. Phys. A: Matematikk. Gen. 31, L53 (1998).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0305-4470/​31/​2/​002

[22] P. Bruno, Quantum Geometric Phase in Majorana's Stellar Representation: Mapping onto a many-body Aharonov-Bohm Phase, Phys. Rev. Lett. 108, 240402 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.108.240402

[23] HD Liu, og LB Fu, bærfase og kvantesammenfiltring i Majoranas stjernerepresentasjon, Phys. Rev. A 94, 022123 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.94.022123

[24] P. Ribeiro, J. Vidal og R. Mosseri, Termodynamisk grense for Lipkin-Meshkov-Glick-modellen, Phys. Rev. Lett. 99, 050402 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.99.050402

[25] P. Ribeiro, J. Vidal og R. Mosseri, Eksakt spektrum av Lipkin-Meshkov-Glick-modellen i termodynamisk grense- og finittstørrelseskorreksjoner, Phys. Rev. E 78, 021106 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.78.021106

[26] J. Zimba, "Anticherent" spin states via Majorana-representasjonen, Electron. J. Theor. Phys. 3, 143 (2006).
https://​/​api.semanticscholar.org/​CorpusID:13938120

[27] D. Baguette, T. Bastin og J. Martin, Multiqubit symmetriske tilstander med maksimal blanding av en-qubit reduksjon, Phys. Rev. A 90, 032314 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.90.032314

[28] O. Giraud, D. Braun, D. Baguette, T. Bastin, og J. Martin, Tensor-representasjon av spinntilstander, Phys. Pastor Lett. 114, 080401 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.114.080401

[29] D. Baguette, F. Damanet, O. Giraud, og J. Martin, Anticoherence of spin state with point-group symmetries, Phys. Rev. A 92, 052333 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.92.052333

[30] HD Liu, LB Fu, X. Wang, Koherent-statlig tilnærming for Majorana-representasjon, Commun. Theor. Phys. 67, 611 (2017).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0253-6102/​67/​6/​611

[31] D. Baguette og J. Martin, Antikoherensmål for rene spinntilstander, Phys. Rev. A 96, 032304 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.96.032304

[32] P. Kolenderski og R. Demkowicz-Dobrzański, Optimal tilstand for å holde referanserammer på linje og de platoniske faste stoffene, Phys. Rev. A 78, 052333 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.78.052333

[33] C. Chryssomalakos og H. Hernández-Coronado, Optimal quantum rotosensors, Phys. Rev. A 95, 052125 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.95.052125

[34] AZ Goldberg og DFV James, Quantum-limited Euler-vinkelmålinger ved bruk av antikoherente tilstander, Phys. Rev. A 98, 032113 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.032113

[35] J. Martin, S. Weigert og O. Giraud, Optimal deteksjon av rotasjoner om ukjente akser ved koherente og antikoherente tilstander, Quantum 4, 285 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2020-06-22-285

[36] J. Crann, DW Kribs og R. Pereira, Sfæriske utforminger og antikoherente spinntilstander, J. Phys. A: Matematikk. Theor. 43, 255307 (2010).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1751-8113/​43/​25/​255307

[37] E. Bannai og M. Tagami, et notat om antikoherente spinntilstander, J. Phys. A: Matematikk. Theor. 44, 342002 (2011).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1751-8113/​44/​34/​342002

[38] M. Wang og Y. Zhu, Antikoherente spin-2-tilstander og sfæriske design, J. Phys. A: Matematikk. Theor. 55, 425304 (2022).
https://​/​doi.org/​10.1088/​1751-8121/​ac971d

[39] AZ Goldberg, AB Klimov, M.Grassl, G. Leuchs og LL Sánchez-Soto, ekstreme kvantetilstander, AVS Quantum Sci. 2, 044701 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1116 / 5.0025819

[40] AZ Goldberg, M. Grassl, G. Leuchs og LL Sánchez-Soto, Quantumness beyond entanglement: Tilfellet av symmetriske tilstander, Phys. Rev. A 105, 022433 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.105.022433

[41] O. Giraud, P. Braun og D. Braun, Quantifying quantumness and the quest for Queens of Quantum, New J. Phys. 12, 063005 (2010).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​12/​6/​063005

[42] R. Delbourgo, Minimale usikkerhetstilstander for rotasjonsgruppen og allierte grupper, J. Phys. A 10, L233 (1977).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0305-4470/​10/​11/​012

[43] A. Wehrl, Om forholdet mellom klassisk og kvantemekanisk entropi, Rep. Math. Phys. 16, 353 (1979).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​0034-4877(79)90070-3

[44] EH Lieb, bevis på en entropiformodning fra Wehrl, Commun. Matte. Phys. 62, 35 (1978).
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF01940328

[45] CT Lee, Wehrls entropi av spinntilstander og Liebs formodning, J. Phys. A 21, 3749 (1988).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0305-4470/​21/​19/​013

[46] EH Lieb og JP Solovej, Bevis på en entropiformodning for Blochs koherente spinntilstander og dens generaliseringer, Acta Math. 212, 379 (2014).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s11511-014-0113-6

[47] F. Bouchard, et al., Kvantemetrologi ved grensen med ekstreme Majorana-konstellasjoner, Optica 4, 1429-1432 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OPTICA.4.001429

[48] A. Wehrl, Generelle egenskaper ved entropi, Rev. Mod. Phys. 50, 221 (1978).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.50.221

[49] A. Wehrl, Entropiens mange fasetter, Rep. Math. Phys. 30, 119 (1991).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​0034-4877(91)90045-O

[50] S. Gnutzmann og K. Życzkowski, Renyi-Wehrl entropier som mål på lokalisering i faserom, J. Phys. A 34, 10123 (2001).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0305-4470/​34/​47/​317

[51] K. Życzkowski, Lokalisering av egentilstander og gjennomsnittlig Wehrl-entropi, Physica E 9, 583 (2001).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​S1386-9477(00)00266-6

[52] LL Sánchez-Soto, AB Klimov, P. de la Hoz og G. Leuchs, Quantum versus classical polarization states: when multipoles count, J. Phys. B 46 104011 (2013).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0953-4075/​46/​10/​104011

[53] A. Tavakoli og N. Gisin, The Platonic solids and fundamental tests of quantum mechanics, Quantum 4, 293 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2020-07-09-293

[54] H.Ch. Nguyen, S. Designolle, M. Barakat og O. Gühne, Symmetries between measurements in quantum mechanics, preprint arXiv:2003.12553 (2022).
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2003.12553
arxiv: 2003.12553

[55] JI Latorre og G. Sierra, Platonisk sammenfiltring, Quantum Inf. Comput. 21, 1081 (2021).
https: / / doi.org/ 10.26421 / QIC21.13-14-1

[56] K. Bolonek-Lasoń og P. Kosiński, Groups, Platonic solids and Bell inequalities, Quantum 5, 593 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-11-29-593

[57] KF Pál og T. Vértesi, Groups, Platonic Bell inequalities for all dimensions, Quantum 6, 756 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-07-07-756

[58] RH Dicke, Koherens i spontane strålingsprosesser, Fysisk. Rev. 93, 99 (1954).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRev.93.99

[59] V. Karimipour, og L. Memarzadeh, Equientangled baser i vilkårlige dimensjoner Phys. Rev. A 73, 012329 (2006).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.73.012329

[60] G. Rajchel, A. Gąsiorowski og K. Życzkowski, Robuste Hadamard-matriser, unistokastiske stråler i Birkhoff-polytop og ekvi-flettede baser i sammensatte rom Math. Comp. Sci. 12, 473 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1007 / s11786-018-0384-y

[61] J. Czartowski, D. Goyeneche, M. Grassl og K. Życzkowski, Isoentangled gjensidig objektive baser, symmetriske kvantemålinger og blandede tilstandsdesign, Phys. Rev. Lett. 124, 090503 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.124.090503

[62] F. Del Santo, J. Czartowski, K. Życzkowski og N. Gisin, Iso-entangled bases and joint measurements, preprint arXiv:2307.06998 (2023).
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2307.06998
arxiv: 2307.06998

[63] R. Penrose, On Bell non-locality without probabilities: some curious geometry, Quantum Reflections (2000).

[64] J. Zimba og R. Penrose, On Bell non-locality without probabilities: More curious geometry, Stud. Hist. Phil. Sci. 24, 697 (1993).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​0039-3681(93)90061-N

[65] JE Massad og PK Aravind, The Penrose dodecahedron revisited, Am. J. Physics 67, 631 (1999).
https: / / doi.org/ 10.1119 / 1.19336

[66] K. Husimi, Noen formelle egenskaper ved tetthetsmatrisen, Proc. Phys. Matte. Soc. 22, 264 (1940).
https: / / doi.org/ 10.11429 / ppmsj1919.22.4_264

[67] W. Słomczyński og K. Życzkowski, Gjennomsnittlig dynamisk entropi av kvantekart på sfæren divergerer i den semiklassiske grensen, Phys. Rev. Lett. 80, 1880 (1998).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.80.1880

[68] M. Piotrak, M. Kopciuch, AD Fard, M. Smolis, S. Pustelny, K. Korzekwa, Perfect quantum protractors, preprint arXiv:2310.13045 (2023).
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2310.13045
arxiv: 2310.13045

[69] NCN Maestro 7 2015/​18/​A/​ST2/​00274 nettsted https://​/​chaos.if.uj.edu.pl/​ karol/​Maestro7/​files/​data3/​Numerical_Results.dat.
https://​/​chaos.if.uj.edu.pl/​~karol/​Maestro7/​files/​data3/​Numerical_Results.dat

[70] D. Weingarten, Asymptotisk oppførsel av gruppeintegraler i grensen for uendelig rangering, J. Math. Phys. 19, 999 (1978).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.523807

[71] B. Collins og P. Śniady, Integration with Respect to the Haar Measure on Unitary, Orthogonal and Symplectic Group, Commun. Matte. Phys. 264, 773 (2006).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s00220-006-1554-3

[72] G. Rajchel, Quantum mappings and designs, PhD-avhandling, preprint arXiv:2204.13008 (2022).
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2204.13008
arxiv: 2204.13008

[73] D. Martin og EP Wigner, Gruppeteori og dens anvendelse på kvantemekanikken til atomspektre, Academic Press Inc. NY (1959).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​b978-0-12-750550-3.x5001-0

Sitert av

[1] Michał Piotrak, Marek Kopciuch, Arash Dezhang Fard, Magdalena Smolis, Szymon Pustelny og Kamil Korzekwa, "Perfekte kvantevinkelmålere", arxiv: 2310.13045, (2023).

[2] Aaron Z. Goldberg, "Korrelasjoner for undergrupper av partikler i symmetriske tilstander: hva fotoner gjør innenfor en lysstråle når resten blir ignorert", arxiv: 2401.05484, (2024).

Sitatene ovenfor er fra SAO / NASA ADS (sist oppdatert vellykket 2024-01-25 11:53:23). Listen kan være ufullstendig fordi ikke alle utgivere gir passende og fullstendige sitasjonsdata.

Kunne ikke hente Crossref sitert av data under siste forsøk 2024-01-25 11:53:22: Kunne ikke hente siterte data for 10.22331 / q-2024-01-25-1234 fra Crossref. Dette er normalt hvis DOI nylig ble registrert.

Tidstempel:

Mer fra Kvantejournal