[论文解读] An introduction to quantum discord and non-classical correlations beyond entanglement

Gerardo Adesso, Marco Cianciaruso+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2016

Quantum Mechanics and Applications参考文献 3被引用 12

一句话总结

本文引入量子失谐作为超越纠缠的非经典关联的度量，证明即使在可分的混合态中也能表现出量子关联。它建立了一个用于量化这些关联的熵框架，展示了其与局部广播的运作联系，并讨论了其对噪声的鲁棒性，将它们定位为超越纠缠的根本性量子信息资源。

ABSTRACT

In this didactic article we explore the concept of quantum correlations beyond entanglement. We begin by introducing and motivating the classically correlated states and then showing how to quantify the quantum correlations using an entropic approach, arriving at a well known measure called the quantum discord. Quantum correlations and discord are then operationally linked with the task of local broadcasting. We conclude by providing some alternative perspectives on quantum correlations and how to measure them.

研究动机与目标

• 澄清复合系统中经典关联与量子关联的区别，特别是在不存在纠缠的混合态中。
• 通过熵的方法定义并形式化量子失谐作为超越纠缠的量子关联的度量。
• 通过其与局部广播协议的联系，建立量子关联的运作相关性。
• 推动将量子关联作为量子信息中的一种资源进行研究，特别是在其持续时间超过纠缠的噪声环境中。
• 为理解混合态场景下量子性的层次结构（包括纠缠、量子导引和贝尔非定域性）提供基础。

提出的方法

• 使用熵的方法，将量子失谐定义为双体系统中总关联与经典关联之间的差异。
• 将经典态定义为其关联可由局部概率分布描述的态，即形式为 $\rho^{AB} = \sum_i p_i \rho_i^A \otimes \rho_i^B$ 的态。
• 引入单边量子失谐 $Q^A(\rho^{AB})$，定义为对 subsystem A 上所有局部测量中条件熵差异的最小值。
• 应用局部广播的概念，将量子关联的作用具体化，表明只有非零失谐的系统才具有局部可广播性。
• 对量子关联度量施加物理一致性条件，如在经典态下消失、在局部幺正变换下不变，以及在纯态上与纠缠度量一致。
• 提出量子关联度量应在对方局域操作下单调递减，尽管完整的自由操作集合仍是开放问题。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在可分且因此不纠缠的混合态中量化量子关联？
• RQ2 量子失谐在形式定义之外的运作意义是什么，即其作为非经典关联度量的实用价值？
• RQ3 为何量子关联在退相干作用下比纠缠持续更久，这对量子技术有何影响？
• RQ4 在何种最小物理要求（自由操作）下，量子关联度量应保持单调性？
• RQ5 在混合态系统中，量子关联与纠缠、量子导引和贝尔非定域性等其他形式的量子性相比如何？

主要发现

• 量子失谐即使在可分的混合态中也能捕捉到非经典关联，表明量子性远超纠缠的范畴。
• 对于经典关联态，量子失谐为零；对于所有纠缠态及某些可分态，其非零，使其成为更普遍的量子关联度量。
• 量子失谐在局部幺正变换下保持不变，并在纯态上退化为纠缠度量，确保与已建立的量子信息概念一致。
• 如失谐所量化的量子关联比纠缠对退相干更具鲁棒性，表明在噪声量子系统中具有实际优势。
• 与局部广播的运作联系表明，量子关联是执行某些无法被经典模拟的量子信息任务的必要条件。
• 本文指出，目前尚无普遍接受的自由操作集合使得量子关联度量保持单调，这是该领域的一个关键开放问题。