Luận án tiến sĩ: Các hàm khoảng cách trong lý thuyết thông tin lượng tử và vấn đề liên quan - Vương Trung Dũng

Khám phá các hàm khoảng cách trong lý thuyết thông tin lượng tử, các vấn đề và ứng dụng liên quan, mở rộng hiểu biết về lượng tử.

Chuyên ngành

Mathematical Analysis

Tác giả

Luan An

Thể loại

Doctoral Dissertation

Năm xuất bản

Số trang

120

Thời gian đọc

18 phút

Lượt xem

1

Lượt tải

0

Phí lưu trữ

40 Point

Tổng quan nhanh

Chủ đề:
1. Cơ sở hàm khoảng cách trong lý thuyết thông tin lượng tử
Số trang:
120 trang
Trường:
Trường Đại học Quy Nhơn
Chuyên ngành:
Mathematical Analysis
Tác giả:
Năm:

Tóm tắt nội dung luận án

I. Cơ sở hàm khoảng cách trong lý thuyết thông tin lượng tử

Lý thuyết thông tin lượng tử nghiên cứu cách thức lưu trữ, truyền tải và xử lý thông tin trên các hệ vật lý lượng tử. Trong hệ thống cổ điển, phân phối xác suất mô tả trạng thái thông tin. Ngược lại, hệ lượng tử sử dụng toán tử giải tích và không gian Hilbert để mô hình hóa trạng thái. Việc định lượng sự sai khác giữa các trạng thái đòi hỏi các công cụ hình học chính xác. Các hàm khoảng cách trong lý thuyết thông tin lượng tử cung cấp thước đo định lượng cho sự khác biệt này. Chúng phản ánh khả năng phân biệt, độ bảo toàn thông tin và độ bền vững trước nhiễu. Đại số ma trận và giải tích hàm cung cấp nền tảng toán học cho các độ đo này. Việc thiết lập khoảng cách chính xác quyết định hiệu quả của các thuật toán truyền tin lượng tử.

1.1. Ma trận mật độ và không gian trạng thái lượng tử

Trạng thái lượng tử tổng quát được biểu diễn bằng ma trận mật độ (Density matrix). Ma trận mật độ là toán tử dương bán xác định có vết bằng một trên không gian Hilbert phức. Trạng thái thuần khiết tương ứng với toán tử chiếu bậc một. Trạng thái hỗn hợp là tổ hợp lồi của các trạng thái thuần khiết. Tập hợp mọi ma trận mật độ tạo thành một tập lồi compact trong không gian ma trận tự liên hợp. Cấu trúc hình học của tập lồi này rất phức tạp. Các phép toán unita bảo toàn phổ của ma trận mật độ. Các phép đo vật lý làm biến đổi trạng thái theo các toán tử hoàn toàn dương bảo toàn vết. Việc so sánh hai ma trận mật độ bất kỳ là nền tảng cho mọi giao thức lượng tử.

1.2. Vai trò của hàm khoảng cách trong xử lý thông tin lượng tử

Hàm khoảng cách cho phép lượng hóa sai số trong quá trình tính toán và truyền tin lượng tử. Khi một cổng lượng tử hoạt động, trạng thái thực tế thường lệch khỏi trạng thái lý tưởng do nhiễu môi trường. Khoảng cách đo lường độ lệch này một cách chặt chẽ. Ngoài ra, việc giải mã thông tin lượng tử dựa trên việc phân biệt các trạng thái tín hiệu khác nhau. Khoảng cách càng lớn thì xác suất nhầm lẫn càng nhỏ. Độ đo khoảng cách còn đánh giá dung lượng của kênh truyền lượng tử. Các thuật toán tối ưu hóa lượng tử sử dụng hàm khoảng cách làm hàm mục tiêu để tìm kiếm trạng thái tối ưu. Nhờ đó, việc kiểm soát chất lượng phần cứng và thuật toán lượng tử đạt hiệu quả cao.

1.3. Tiêu chuẩn toán học cho các độ đo khoảng cách lượng tử

Một hàm khoảng cách lượng tử chuẩn mực cần thỏa mãn các tiên đề toán học khắt khe. Tính chất cơ bản nhất gồm tính không âm, tính đối xứng và bất đẳng thức tam giác. Khoảng cách triệt tiêu khi và chỉ khi hai trạng thái trùng nhau. Trong vật lý lượng tử, tính đơn điệu dưới các phép toán lượng tử là điều kiện tiên quyết. Tính chất này đảm bảo nhiễu môi trường không làm tăng khoảng cách giữa hai trạng thái. Ngoài ra, tính bất biến unita giúp khoảng cách không phụ thuộc vào việc lựa chọn cơ sở biểu diễn. Tính lồi hoặc lồi liên hợp cũng là yêu cầu quan trọng phục vụ bài toán tối ưu. Các tiêu chuẩn này đảm bảo tính nhất quán giữa toán học giải tích ma trận và thực tại vật lý.

II. Các hàm khoảng cách lượng tử cùng độ đo Bures mở rộng

Hình học thông tin lượng tử phát triển mạnh mẽ nhờ các độ đo dựa trên độ trung thực và khoảng cách Bures. Luận án tiến sĩ chuyên ngành Giải tích toán học tại Đại học Quy Nhơn tập trung nghiên cứu các dạng mở rộng tham số của cấu trúc Bures-Wasserstein. Độ đo Bures bắt nguồn từ bài toán chuyển khối tối ưu và hình học vi phân Riemann trên đa tạp ma trận dương. Khi mở rộng sang hệ thống lượng tử, phân kỳ Bures-Wasserstein liên kết trực tiếp với độ trung thực lượng tử. Các biến thể tham số alpha-z mang lại công cụ linh hoạt để phân tích sâu hơn các trạng thái lượng tử. Cấu trúc này mở rộng khả năng ứng dụng trong lý thuyết ma trận và tính toán lượng tử hiện đại.

2.1. Độ trung thực lượng tử và định lý Uhlmann

Độ trung thực lượng tử (Quantum fidelity) là đại lượng trung tâm đo mức độ tương đồng giữa hai ma trận mật độ. Đối với hai trạng thái thuần khiết, độ trung thực chính là bình phương tích vô hướng của hai vector trạng thái. Đối với các trạng thái hỗn hợp, Định lý Uhlmann (Uhlmann's theorem) cung cấp biểu diễn biến phân thông qua sự thanh lọc trạng thái trong không gian mở rộng. Định lý Uhlmann khẳng định độ trung thực bằng cực đại tích vô hướng giữa các vector thanh lọc. Từ độ trung thực, Khoảng cách Bures (Bures distance) được xác định trực tiếp qua công thức hình học. Khoảng cách Bures có tính chất metric hoàn chỉnh, bất biến unita và thỏa mãn tính đơn điệu lượng tử.

2.2. Phân kỳ alpha z Bures Wasserstein và bài toán bình phương tối thiểu

Phân kỳ alpha-z-Bures Wasserstein là bước phát triển mở rộng có ý nghĩa quan trọng trong giải tích ma trận. Khái niệm này kết hợp hai tham số thực alpha và z để tạo ra một họ phân kỳ liên tục. Bài toán bình phương tối thiểu liên quan đến việc tìm trạng thái ma trận trung bình tối ưu theo phân kỳ này. Nghiên cứu xác lập các điều kiện tồn tại và duy nhất của nghiệm cho bài toán tối ưu trên tập ma trận xác định dương. Dạng mở rộng tham số hóa này bao quát nhiều độ đo cổ điển như khoảng cách Bures thông thường và phân kỳ Renyi lượng tử. Kết quả mang lại khung toán học tổng quát cho việc xử lý dữ liệu lượng tử đa chiều.

2.3. Bất đẳng thức xử lý dữ liệu và tính chất trung gian

Bất đẳng thức xử lý dữ liệu (Data processing inequality) khẳng định phân kỳ lượng tử không tăng sau khi truyền qua kênh lượng tử hoàn toàn dương bảo toàn vết. Nghiên cứu chứng minh bất đẳng thức này đúng cho phân kỳ alpha-z-Bures Wasserstein dưới các miền tham số phù hợp. Tính chất này đảm bảo tính vững chắc vật lý của độ đo trước các phép đo và biến đổi nhiễu. Bên cạnh đó, tính chất trung gian (In-betweenness property) mô tả hành vi của khoảng cách dọc theo các đường trắc địa ma trận. Tính chất trung gian cho thấy khoảng cách từ một điểm trung gian đến hai đầu mút luôn bị chặn chặt chẽ. Đây là công cụ đắc lực để nghiên cứu tính lồi hình học của không gian trạng thái.

III. Nghiên cứu hàm khoảng cách lượng tử và khoảng cách vết

Trong giải tích ma trận lượng tử, các chuẩn toán tử đóng vai trò thiết lập các khoảng cách metric cơ bản. Khoảng cách vết và chuẩn Hilbert-Schmidt cung cấp hai cách tiếp cận đại số trực quan để so sánh hai ma trận mật độ. Các độ đo này sở hữu ý nghĩa vật lý rõ ràng trong các thí nghiệm đo đạc và phân biệt trạng thái. Việc thiết lập mối quan hệ định lượng giữa các loại khoảng cách là bài toán kinh điển trong lý thuyết thông tin. Các bất đẳng thức chặn trên và chặn dưới giúp chuyển đổi linh hoạt giữa các tiêu chuẩn sai số. Sự hiểu biết sâu sắc về các độ đo này tối ưu hóa độ nhạy của các giao thức truyền tin.

3.1. Khoảng cách vết và độ phân biệt trạng thái lượng tử

Khoảng cách vết (Trace distance) được định nghĩa bằng một nửa chuẩn vết của hiệu hai ma trận mật độ. Đây là metric vật lý quan trọng bậc nhất trong lý thuyết thông tin lượng tử. Độ phân biệt trạng thái lượng tử (Quantum state discrimination) liên kết trực tiếp với khoảng cách vết theo định lý Helstrom. Định lý này khẳng định xác suất phân biệt chính xác hai trạng thái bằng một phép đo tối ưu tỷ lệ thuận với khoảng cách vết. Khoảng cách vết nằm trong đoạn từ 0 đến 1. Giá trị bằng 0 nghĩa là hai trạng thái đồng nhất, trong khi giá trị bằng 1 thể hiện hai trạng thái trực giao hoàn toàn. Khoảng cách vết bất biến unita và thỏa mãn tính co rút dưới mọi kênh lượng tử.

3.2. Bất đẳng thức Fuchs van de Graaf và khoảng cách Bures

Bất đẳng thức Fuchs-van de Graaf thiết lập mối liên hệ định lượng chặt chẽ giữa khoảng cách vết và độ trung thực lượng tử. Bất đẳng thức chỉ ra rằng khoảng cách vết bị chặn dưới và chặn trên bởi các hàm giải tích chứa độ trung thực. Hệ quả trực tiếp là sự tương đương topo giữa khoảng cách vết và Khoảng cách Bures (Bures distance). Hai trạng thái gần nhau theo khoảng cách vết khi và chỉ khi độ trung thực tiến dần về một. Mối liên hệ này cho phép chuyển đổi kết quả tính toán phức tạp của độ trung thực sang ước lượng xác suất lỗi phân biệt trạng thái. Bất đẳng thức Fuchs-van de Graaf là công cụ nền tảng trong chứng minh an toàn mật mã lượng tử.

3.3. Khoảng cách Hilbert Schmidt và độ đo chuẩn kim cương

Khoảng cách Hilbert-Schmidt bắt nguồn từ tích vô hướng Frobenius trên không gian ma trận phức. Độ đo này dễ tính toán đại số do không yêu cầu căn bậc hai của ma trận. Tuy nhiên, khoảng cách Hilbert-Schmidt không thỏa mãn tính co rút dưới các phép toán mở rộng hệ con không tương tác. Để khắc phục hạn chế khi đánh giá kênh truyền, Độ đo chuẩn kim cương (Diamond norm distance) được áp dụng. Độ đo chuẩn kim cương đo lường khoảng cách vết cực đại giữa các đầu ra khi đưa trạng thái vướng víu qua hai kênh lượng tử. Chuẩn kim cương là tiêu chuẩn vàng để kiểm định độ chính xác của các cổng logic lượng tử trong máy tính lượng tử thực tế.

IV. Tối ưu hàm khoảng cách lượng tử qua trung bình ma trận

Lý thuyết trung bình ma trận do Kubo và Ando khởi xướng là nền tảng giải tích quan trọng cho các hàm khoảng cách phi tuyến. Luận án nghiên cứu sâu về khoảng cách Hellinger có trọng số và trung bình hình học phổ có trọng số mới. Các đối tượng toán học này cung cấp cấu trúc giải tích mạnh mẽ để xử lý các phép toán không giao hoán. Việc kết hợp giải tích ma trận và bất đẳng thức vi phân cho phép giải quyết các bài toán tối ưu trên đa tạp ma trận dương. Cấu trúc phổ và mối quan hệ trội đóng vai trò then chốt trong việc xác định các chặn hình học. Những phát triển này làm phong phú lý thuyết toán học của thông tin lượng tử.

4.1. Khoảng cách Hellinger có trọng số trên ma trận dương

Khoảng cách Hellinger có trọng số mở rộng khái niệm khoảng cách Hellinger cổ điển lên không gian ma trận tự liên hợp dương. Bằng cách tích hợp tham số trọng số thực, độ đo này cho phép gán mức độ ưu tiên khác nhau cho từng trạng thái. Nghiên cứu khảo sát tính chất lồi, tính đơn điệu ma trận và tính chất trung gian của khoảng cách này. Khoảng cách Hellinger có mối liên hệ mật thiết với năng lượng lượng tử Wigner-Yanase-Dyson. Độ đo phản ánh độ xiên lệch và lượng thông tin giao thoa lượng tử nội tại. Nghiên cứu cấu trúc đại số của khoảng cách Hellinger giúp thiết lập các chặn phân biệt trạng thái mới vượt trội hơn các ước lượng truyền thống.

4.2. Trung bình hình học phổ có trọng số mới

Trung bình hình học ma trận đóng vai trò điểm chính giữa trên đường trắc địa hình học vi phân. Nghiên cứu đề xuất một dạng trung bình hình học phổ có trọng số mới cho cặp ma trận xác định dương. Khác với trung bình Kubo-Ando thông thường, trung bình phổ bảo toàn chính xác cấu trúc phổ đối xứng của các toán tử thành phần. Cấu trúc mới này thỏa mãn các tiên đề suy rộng về tính liên tục, tính thuần nhất và phép nghịch đảo. Trung bình phổ cung cấp công cụ hiệu quả để giải quyết các phương trình ma trận phi tuyến trong tối ưu hóa lượng tử. Độ đo khoảng cách sinh ra từ trung bình này thể hiện tính đối xứng tự nhiên cao.

4.3. Công thức Lie Trotter và bất đẳng thức trội logarit yếu

Công thức tích Lie-Trotter là cầu nối cơ bản giữa hàm mũ toán tử và các phép gần đúng trong cơ học lượng tử. Luận án mở rộng công thức Lie-Trotter cho trung bình hình học phổ có trọng số mới khi số mũ tiến tới không. Đi kèm với đó là bất đẳng thức trội logarit yếu (Weak log-majorization) cho các giá trị kỳ dị và giá trị riêng. Quan hệ trội logarit cung cấp các chặn phổ chính xác cho vết của hàm ma trận lồi. Các bất đẳng thức này cho phép kiểm soát hàm khoảng cách lượng tử khi ma trận trạng thái chịu nhiễu loạn ngẫu nhiên. Kết quả chứng minh tính ổn định tiệm cận của các cấu trúc trung bình phổ được đề xuất.

V. Ý nghĩa hàm khoảng cách lượng tử đối với xử lý thực tế

Các kết quả toán học về hàm khoảng cách trong lý thuyết thông tin lượng tử có phạm vi ảnh hưởng sâu rộng đến công nghệ thông tin tương lai. Việc định lượng chính xác độ sai khác trạng thái là chìa khóa để phát triển phần cứng máy tính lượng tử tin cậy. Các bài toán từ mã hóa sửa sai lượng tử, phân phối khóa bảo mật đến mô phỏng hóa học lượng tử đều dựa vào các hàm khoảng cách. Giải tích ma trận cung cấp công cụ định lượng chặt chẽ để kiểm tra tính toàn vẹn của dữ liệu lượng tử. Sự kết hợp giữa lý thuyết toán học trừu tượng và ứng dụng kỹ thuật thực tiễn mở ra nhiều tiềm năng đột phá mới.

5.1. Entropy tương đối lượng tử trong truyền dẫn thông tin

Entropy tương đối lượng tử (Quantum relative entropy) của Umegaki là độ đo phân kỳ phi đối xứng nền tảng. Đại lượng này biểu thị lượng thông tin mất mát khi xấp xỉ một trạng thái lượng tử bằng một trạng thái khác. Entropy tương đối lượng tử liên kết trực tiếp với định lý phân tách giả thuyết lượng tử Stein. Trong truyền dẫn thông tin qua kênh lượng tử, entropy tương đối xác định tốc độ suy giảm số mũ của xác suất lỗi loại hai. Mối quan hệ giữa entropy tương đối, khoảng cách vết và độ trung thực lượng tử tạo nên hệ thống công cụ hoàn chỉnh để đánh giá dung lượng kênh truyền thông tin lượng tử dưới tác động của môi trường.

5.2. Đánh giá độ sai lệch quỹ đạo unita trong tính toán lượng tử

Trong tính toán lượng tử, các phép biến đổi lý tưởng được mô tả bằng các tác động unita lên ma trận mật độ. Tập hợp các trạng thái sinh ra bởi nhóm unita tạo thành các quỹ đạo unita trên không gian ma trận. Nghiên cứu khảo sát độ trung thực và khoảng cách cực trị giữa hai quỹ đạo unita khác nhau. Việc xác định khoảng cách nhỏ nhất giữa các quỹ đạo unita cho phép ước lượng sai số tích lũy tối đa trong quá trình thực thi thuật toán lượng tử. Kết quả này hỗ trợ thiết kế các mã sửa sai lượng tử tối ưu và các giao thức hiệu chuẩn cổng logic lượng tử với độ chính xác cao.

Mục lục chi tiết luận án

Lời cam đoan
Lời cảm ơn
Danh mục ký hiệu
MỞ ĐẦU
1. CHƯƠNG 1: KIẾN THỨC CHUẨN BỊ
1.1. Cơ sở lý thuyết ma trận
1.2. Hàm ma trận và trung bình ma trận
2. CHƯƠNG 2: KHOẢNG CÁCH HELLINGER CÓ TRỌNG SỐ
2.1. Khoảng cách Hellinger có trọng số
2.2. Tính chất trung gian
3. CHƯƠNG 3: PHÂN KỲ α-z-BURES WASSERSTEIN
3.1. Phân kỳ α-z-Bures Wasserstein và bài toán bình phương tối thiểu
3.2. Bất đẳng thức xử lý dữ liệu và tính chất trung gian
3.3. Độ trung thực lượng tử và các phiên bản tham số hóa
3.4. Độ trung thực α-z giữa các quỹ đạo unita
4. CHƯƠNG 4: TRUNG BÌNH HÌNH HỌC PHỔ CÓ TRỌNG SỐ MỚI
4.1. Một trung bình hình học phổ có trọng số mới và các tính chất cơ bản
4.2. Công thức Lie-Trotter và trội log yếu
Tài liệu tham khảo
Xem trước tài liệu
Tải đầy đủ để xem toàn bộ nội dung
Một số hàm khoảng cách trong lý thuyết thông tin lượng tử và các vấn đề liên quan

Tải xuống file đầy đủ để xem toàn bộ nội dung

Tải đầy đủ (120 trang)

Trích đoạn nội dung luận án

Tải xuống để đọc toàn bộ

MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING QUY NHON UNIVERSITY VUONG TRUNG DUNG SOME DISTANCE FUNCTIONS IN QUANTUM INFORMATION THEORY AND RELATED PROBLEMS DOCTORAL DISSERTATION IN MATHEMATICS BINH DINH – 2024 MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING QUY NHON UNIVERSITY VUONG TRUNG DUNG SOME DISTANCE FUNCTIONS IN QUANTUM INFORMATION THEORY AND RELATED PROBLEMS Speciality: Mathematical Analysis Speciality code: 9 46 01 02 Reviewer 1: Prof. Dang Duc Trong Reviewer 2: Prof. Pham Tien Son Reviewer 3: Assoc. Pham Quy Muoi Supervisors: 1.

Le Cong Trinh 2. Dinh Trung Hoa BINH DINH – 2024 Declaration This thesis was completed at the Department of Mathematics and Statistics, Quy Nhon Uni- versity under the supervision of Assoc. Le Cong Trinh and Assoc. Dinh Trung Hoa.

I hereby declare that the results presented in it are new and original. Most of them were published in peer-reviewed journals, others have not been published elsewhere. For using results from joint papers I have gotten permission from my co-authors. Binh Dinh, 2024 Vuong Trung Dung i Acknowledgments This thesis was undertaken during my years as a PhD student at the Department of Math- ematics and Statistics, Quy Nhon University.

Upon the completion of this thesis, I am deeply indebted to numerous individuals. On this occasion, I would like to extend my sincere appreci- ation to all of them. First and foremost, I would like to express my sincerest gratitude to Assoc. Dinh Trung Hoa, who guided me into the realm of matrix analysis and taught me right from the early days.

Not only that, but he also devoted a significant amount of valuable time to engage in dis- cussions, and provided problems for me to solve. He motivated me to participate in workshops and establish connections with senior researchers in the field. He guided me to find enjoyment in solving mathematical problems and consistently nurtured my enthusiasm for my work. I can’t envision having a more exceptional advisor and mentor than him.

The second person I would like to express my gratitude to is Assoc. Le Cong Trinh, who has been teaching me since my undergraduate days and also introduced me to Prof. From the early days of sitting in lecture halls at university, Prof. Trinh has been instilling inspiration and a love for mathematics in me.

It’s fortunate that now I have the opportunity to be mentored by him once again. He has always provided enthusiastic support not only in my work but also in life. Without that dedicated support, it would have been difficult for me to complete this thesis. I would like to extend a special thank you to the educators at both the Department of Math- ii ematics and Statistic and the Department of Graduate Training at Quy Nhon University for providing the optimal environment for a postgraduate student who comes from a distant loca- tion like myself.

Binh Dinh is also my hometown and the place where I have spent all my time from high school to university. The privilege and personal happiness of coming back to Quy Nhon University for advanced studies cannot be overstated. I am grateful to the Board and Colleagues of VNU-HCM High School for the Gifted for providing me with much support to complete my PhD study. Especially, I would like to extend my heartfelt gratitude to Dr.

Nguyen Thanh Hung, who has assisted to me in both material and spiritual aspects since the very first days I set foot in Saigon. He is not only a mentor and colleague but also a second father to me, who not only supported me financially and emotionally during challenging times but also constantly encouraged me to pursue a doctoral degree. Without this immense support and encouragement, I wouldn’t be where I am today. I also want to express my gratitude to Su for the wonderful time we’ve spent together, which has been a driving force for me to complete the PhD program and strive for even greater achieve- ments that I have yet to attain.

Lastly, and most significantly, I would like to express my gratitude to my family. They have always been by my side throughout work, studies, and life. I want to thank my parents for giving birth to me and nurturing me to adulthood. This thesis is a gift I dedicate to them.

Binh Dinh, 2024 Vuong Trung Dung iii Contents Declaration i Acknowledgment ii Glossary of notation vi Introduction 1 1 Preliminaries 13 1.1 Matrix theory fundamentals .2 Matrix function and matrix mean. 19 2 Weighted Hellinger distance 28 2.1 Weighted Hellinger distance .2 In-betweenness property. 32 3 The α-z-Bures Wasserstein divergence 38 3.1 The α-z-Bures Wasserstein divergence and the least squares problem .2 Data processing inequality and in-betweenness property .3 Quantum fidelity and its parameterized versions .4 The α-z-fidelity between unitary orbits. 75 4 A new weighted spectral geometric mean 82 4.1 A new weighted spectral geometric mean and its basic properties .2 The Lie-Trotter formula and weak log-majorization.

87 Bibliography 103 v Glossary of notation Cn : The set of all n-tuples of complex numbers 〈x, y〉 : The scalar product of vectors x and y Mn : The set of n × n complex matrices H : The Hilbert space B(H) : The set of all bounded linear operators acting on Hilbert space H Hn : The set of all n × n Hermitian matrices H+ n : The set of all n × n positive semi-definite matrices Pn : The set of all n × n positive definite matrices I, O : The identity and zero elements of Mn , respectively A∗ : The conjugate transpose (or adjoint) of the matrix A |A| : The positive semi-definite matrix (A∗ A)1/2 Tr(A) : The canonical trace of matrix A λ(A) : The vector of eigenvalues of matrix A in decreasing order s(A) : The vector of singular values of matrix A in decreasing order Sp(A) : The spectrum of matrix A 󰀂A󰀂 : The operator norm of matrix A |||A||| : The unitarily invariant norm of matrix A x≺y : x is majorized by y x ≺w y : x is weakly majorized by y A󰂒B : The geometric mean of two matrices A and B vi A󰂒t B : The weighted geometric mean of two matrices A and B A󰂑B : The spectral geometric mean of two matrices A and B A󰂑t B : The weighted spectral geometric mean of two matrices A and B Ft (A, B) : The F -mean of two matrices A and B A∇B : The arithmetic mean of two matrices A and B A!B : The harmonic mean of two matrices A and B A:B : The parallel sum of two matrices A and B µp (A, B, t) : The matrix p-power mean of matrices A and B vii Introduction Quantum information stands at the confluence of quantum mechanics and information the- ory, wielding the mathematical elegance of both realms to delve into the profound nature of information processing at the quantum level. In classical information theory, bits are the funda- mental units representing 0 and 1. Quantum information theory, however, introduces the concept of qubits, the quantum counterparts to classical bits. Unlike classical bits, qubits can exist in a superposition of states, allowing them to be both 0 and 1 simultaneously.

This unique property empowers quantum computers to perform certain calculations exponentially faster than classical computers. Entanglement is a crucial phenomenon in quantum theory where two or more particles be- come closely connected. When particles are entangled, changing the state of one immediately affects the state of the other, no matter the distance between them. This has important impli- cations for quantum information and computing, offering new possibilities for unique ways of handling information.

Quantum algorithms, such as Shor’s algorithm for factoring large numbers and Grover’s algorithm for quantum search, exemplify the power of quantum information in tackling complex computational tasks with unparalleled efficiency. In order to treat information processing in quantum systems, it is necessary to mathemati- cally formulate fundamental concepts such as quantum systems, states, and measurements, etc. Useful tools for researching quantum information are functional analysis and matrix theory. First, we consider the quantum system.

It is described by a Hilbert space H, which is called a representation space. This will be advantageous because it is not only the underlying basis of 1 quantum mechanics but is also as helpful in introducing the special notation used for quantum mechanics. The (pure) physical states of the system correspond to unit vectors of the Hilbert space. This correspondence is not 1-1.

When f1 and f2 are unit vectors, then the correspond- ing states are identical if f1 = zf2 for a complex number z of modulus 1. Such z is often called phase. The pure physical state of the system determines a corresponding state vector up to a phase. Traditional quantum mechanics distinguishes between pure states and mixed states.

Mixed states are described by density matrices. A density matrix or statistical operator is a pos- itive matrix of trace 1 on the Hilbert space. This means that the space has a basis consisting of eigenvectors of the statistical operator and the sum of eigenvalues is 1. In quantum information theory, distance functions are used to measure the distance between two mixed states.

Addition- ally, these distance functions can be employed to characterize the properties of a given quantum state. For instance, they can quantify the quantum entanglement between two parts of a state, representing the shortest distance between the state and the set of all separable states. These distance functions naturally extend to the set of positive semi-definite matrices, which is also the main focus of this thesis. Nowadays, the significance of matrix theory has been widely recognized across various fields, including engineering, probability and statistics, quantum information, numerical analy- sis, biological and social sciences.

In image processing (subdivision schemes), medical imaging (MRI), radar signal processing, statistical biology (DNA/genome), and machine learning, data from numerous experiments are stored as positive definite matrices. To work with each set of data, we need to select its representative element. In other words, we need to compute the aver- age of the corresponding positive definite matrices. Therefore, considering global solutions of the least-squares problems for matrices is of paramount importance (refer to [2, 8, 18, 28, 67, 73] for examples).

Consider the following least squares problem: d2 (x, a) + d2 (x, b) → min, x ∈ [a, b], 2 where d := dE (x, y) = |y − x|, or, d := dR (x, y) := | log(y) − log(x)|. √ The arithmetic mean (a + b)/2 and the geometric mean ab are unique solutions to the above problem with respect to dE and dR distance, respectively. Moreover, based on the AM-GM inequality for two non-negative numbers a and b, we have a new distance as follows a+b √ d(a, b) = − ab. 2 For A, B ∈ Pn , some matrix analogs of scalar distances are: • Euclidean distance induced from Euclidean/Frobenius inner product 〈A, B〉 = Tr(A∗ B).

The associated norm is 󰀂A󰀂F = 〈A, A〉1/2 = (Tr(A∗ A))1/2. 󰀣 n 󰀤1/2 󰁛 • The Riemann distance [12] is δR (A, B) = || log(A−1 B)||2 = log2 λi (A−1 B). i=1 • Bures-Wasserstein distance [13] in the theory of optimal transport : 󰀓 󰀓󰀃 󰀄 󰀔󰀔1/2 1/2 1/2 1/2 db (A, B) = Tr(A + B) − 2 Tr A BA. • The Log-Determinant metric [75] in machine learning and quantum information: A+B dl (A, B) = log det − 2 log det(AB).

2 • The Hellinger metric or Bhattacharya metric [73] in quantum information : 󰀃 󰀃 󰀄󰀄1/2 dh (A, B) = Tr(A + B) − 2 Tr A1/2 B 1/2. In applications, one are sometimes interested in distance-like functions that provide distance 3 between two data points.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Trích dẫn luận án này

Vuong Trung Dung (2024). Hàm khoảng cách trong lý thuyết thông tin lượng tử [Luận án tiến sĩ, Quy Nhon University]. LuanAn.net. https://luanan.net/toan-hoc/giai-tich/ham-khoang-cach-trong-ly-thuyet-thong-tin-luong-tu

Câu hỏi thường gặp

Luận án "Hàm khoảng cách trong lý thuyết thông tin lượng tử" nghiên cứu về vấn đề gì?

Khám phá các hàm khoảng cách trong lý thuyết thông tin lượng tử, các vấn đề và ứng dụng liên quan, mở rộng hiểu biết về lượng tử.

Luận án "Hàm khoảng cách trong lý thuyết thông tin lượng tử" được bảo vệ tại trường nào?

Luận án này được bảo vệ tại Quy Nhon University. Năm bảo vệ: 2024.

Luận án "Hàm khoảng cách trong lý thuyết thông tin lượng tử" thuộc chuyên ngành gì?

Luận án "Hàm khoảng cách trong lý thuyết thông tin lượng tử" thuộc chuyên ngành Mathematical Analysis. Danh mục: Giải Tích.

Luận án "Hàm khoảng cách trong lý thuyết thông tin lượng tử" có bao nhiêu trang?

Luận án "Hàm khoảng cách trong lý thuyết thông tin lượng tử" có 120 trang. Bạn có thể xem trước một phần tài liệu ngay trên trang web trước khi tải về.

Cách tải luận án "Hàm khoảng cách trong lý thuyết thông tin lượng tử" về máy như thế nào?

Để tải luận án về máy, bạn nhấn nút "Tải xuống ngay" trên trang này, sau đó hoàn tất thanh toán phí lưu trữ. File sẽ được tải xuống ngay sau khi thanh toán thành công. Hỗ trợ qua Zalo: 0559 297 239.

Luận án liên quan

Chia sẻ tài liệu: Facebook Twitter