相干與路徑信息*

呂鑫

(六盤水師范學院物理與電氣工程學院, 六盤水 553000)

近年來, 隨著對相干性量化的發展, 相干與路徑信息間的互補關系漸漸引起人們注意.這樣的互補關系不僅在基礎量子力學方面有重要的理論意義, 同時也在量子信息技術中有實際應用.本文從Bures距離和明確量子態區分出發, 系統地研究了二路徑干涉儀中的相干與路徑信息, 并建立了一個全新的互補關系.與已知的類似工作相比, 本文的研究更為一般: 既考慮純態, 也考慮混合態; 既探討了干涉儀本身的路徑不對稱性所提供的路徑可預測性, 也探討了因路徑探測器而生的路徑可區分度.具體地說, 路徑可預測性的討論只依賴于密度矩陣的半正定性質, 而路徑可區分度的討論還需要利用保真度和Schur-Weyl不等式等工具.

1 引 言

波粒二象性作為玻爾互補性原則[1,2]最重要的例證, 在量子力學的理論發展中扮演著重要的角色.上世紀八十年代以來, 隨著量子信息技術的涌現和發展, 人們開始關注量化波粒二象性, 或更一般的互補性原則的量化問題, 并建立了一系列不等式關系[3?17].其中, 最基本和最重要的是由 Jaeger等[5]和Englert[6]針對二路徑干涉儀建立的下面的關系

其中粒子性的量度 D 描述了路徑的可區分度, 而波動性的量度 V 則描述了干涉條紋的強度.值得注意的是, (1)式中的等號當且僅當量子態為純態時達到.從量子態純化的角度, 任一混合態都可以看作某個更大空間的純態.這樣對于混合態, (1)式嚴格地小于1是由于約化過程中損失了部分信息.量化波粒二象性的理論框架在本世紀初已經發展成形, 在文獻[8,9]中, 作者提出了合理的粒子性和波動性量度所應具有的歸一性和凸性等性質.目前,實驗學家已經進行了許多關于二路徑干涉儀, 即波粒二象性的驗證實驗[18?29].值得注意的是, 在以上驗證中, 出現過一次“違背”(1)式的情況[26], 具體的解釋和討論可以參閱文獻[28,29].

最近, 因為利用資源理論量化相干性取得的一系列結果[30?43], 人們開始試圖從相干性的角度重新審視量化波粒二象性的問題.具體而言, 因為相干性與干涉對比度密切相關, 自然而然地可以作為波動性的量度.由此出發, 人們得到了一系列關于相干性和路徑可區分度的互補關系[14?17].在這些工作中, 量子態區分的概念開始與量化互補性原理聯系起來.但目前這方面的工作都缺乏一般性, 有的工作專注討論純態而忽略混合態[14,17], 而且大多只關心從路徑探測器(which-path detector)中獲取的路徑區分度[14?17], 而忽略干涉儀本身不對稱性中隱含的路徑可預測性.本文的目的即在于從最一般的角度研究二路徑干涉儀中相干與路徑信息的互補關系.為此, 我們利用 Bures距離[44?46]量化路徑信息, 并利用明確量子態區分[47?50], 賦予其清晰的物理意義.我們將看到, 干涉儀本身的互補性是密度矩陣半正定性質的直接推論; 而路徑探測器的應用并不能增大同時可能獲取的粒子性信息和波動性信息, 二者此漲彼消, 體現出互補性.因此, 我們的工作是對已知結果, 特別是文獻[14,17]中關于互補性結果的推廣.

本文剩余部分安排如下: 第2節中將討論一般情況下的路徑信息和相干.針對干涉儀本身的路徑不對稱性, 我們得到一個全新的、類似于(1)式的量化波粒二象性關系.而討論路徑探測器的應用所需的明確量子態區分的概念將在第3節中簡要介紹, 該節也將提出并證明路徑可區分度與相干的互補關系.

2 二路徑干涉儀中的粒子性和波動性

考慮一般的二路徑干涉儀中的量子自由度.以粒子性的基 { |1〉,|2〉} 作為計算基.其中 |i〉 表示粒子通過第i個路徑的態.這樣, 以此表示的密度矩陣ρ的對角元便描述了量子態 ρ 分別通過兩個路徑的概率, 即 ρ 中可能蘊涵的所有路徑信息, 或路徑可預測性(Predictability)[4?9].所以在定義路徑信息的時候, 只需要考慮 ρdiag, 即可以人為地忽略所有的非對角元.參照文獻[17]中提到的種種優點, 我們希望利用Bures距離, 即

作為路徑可預測性的量度.注意到路徑的不對稱性是獲取路徑信息的資源, 因而(2)式中所比較的兩個態 ρi應直接反映出這種不對稱性.為此, 引入顛倒路徑的算符

并定義可預測性

簡單的計算可以驗證, 只有當 ρ11= ρ22, 也便是路徑完全對稱時, 可預測性 P 才等于0; 也只有當某個 ρii=1 , 也便是路徑完全不對稱時, P 才等于 1.這與我們物理上的考慮完全相符, 也符合文獻[8,9]中提出的粒子性量度歸一性的要求.

在波動性方面, 如引言中所講, 可以直接利用相干來描述, 即干涉對比度(Visibility)[4?9]

從(5)式和(6)式容易看出, 密度矩陣的半正定性質, 即 ρ ≥0 可以推出

即針對干涉儀的量子自由度本身的量化波粒二象性關系, 或路徑可預測性與相干之間的互補關系.同時, Bures距離和相干函數的凸性使(5)式和(6)式定義的路徑可預測性和干涉對比度為合理的粒子性和波動性的量度.另外, 當不等式(7)式得到上限 1時也正好對應著純態.因此, 關系式(7)式是一個合理的波粒二象性的表達式.事實上,也不難證明(7)式與經典的(1)式等價.只是這里我們利用了Bures距離, 為其更好地應用在量子信息領域, 也為賦予其明確量子態區分的物理意義奠定了基礎.

除了利用干涉儀本身的路徑不對稱性獲取路徑信息, 人們也可以利用路徑探測器, 即額外的量子自由度來增加對路徑的預測以獲取更多粒子性的信息.一般而言, 引入路徑探測器自由度后, 我們考慮的量子態變為[7]

式中下標Q表示原先的量子自由度, 而W則表示路徑探測器的量子自由度.這樣, 通過取偏跡, 可以獲得

以及

相干只與約化的密度矩陣 ρQ有關, 所以

可以看到 | T rWχW| 的引入一般使相干變小, 這意味著部分波動性信息被粒子探測器變作了粒子性信息.而為了量化新的粒子性信息, 即路徑可區分度[7,9],我們需要引入明確量子態區分的概念.

3 明確量子態區分 (unambiguous quantum state discrimination)

考慮一個量子體系(ensemble), 已知它分別以概率 p1,p2包含兩個量子態 ρ1,ρ2, 對這樣的量子體系的明確量子態區分是指尋找一般的量子測量(POVM) { M1,M2,M3} , 滿足下面的要求

即當第i個測量結果出現時( i =1,2 ), 百分百確定量子態為 ρi; 但當第三個測量結果出現時, 我們不對量子態做出預測.于是第三個測量結果出現的概率 pf便是明確量子態區分失敗的概率.明確量子態區分自然地與量子信息傳遞聯系在一起.比如對于圖1所示的有噪信道, 假設Alice把量子態 ρ1, ρ2分別以 p1, p2的概率傳給Bob, 但是信道中的噪音會使信號失真, 于是在Bob處還出現了多余的 ρ3.在此, 明確量子態區分的成功概率 1?pf即是該有噪信道無錯誤地傳遞信息的概率.

圖1 明確量子態區分在有噪信道中的體現Fig.1.Unambiguous quantum state discrimination in a noisy quantum channel.

事實上這樣的POVM有時候根本不存在.但是一般而言有下面的不等式關系[50]

其中保真度[45,51,52]定義為

于是Bures距離可以表示為

注意到如果明確區分量子體系 ( ρ+XρX?)/2 , 那么由定義式(5)式可以看出

于是路徑可預測性 P 可以看作對量子體系(ρ +XρX?)/2做明確量子態區分成功概率的上限.當增加了路徑探測器后, 由(10)式我們需要區分的體系變為直接利用不等式(13)式, 得到

從而可以定義路徑可區分度 D (ρQW) 為明確量子態區分系統的成功概率上限

由(8)式可以看出 ρQW≥0 , 意味著[53]

其中(21)式是因為(19)式, 及半正定矩陣的性質[53,54]

而(22)式是因為Schur-Weyl不等式[55?58].

這樣將(11)式和(22)式代入(18)式便得到量子態 ρQW的路徑可區分度和相干的互補關系

容易看出, 文獻 [17]中關于互補性的結果是(24)式在 ρ11= ρ22=1/2 時的特例.同樣, 我們的結果也是文獻[14]關于純態結果對混合態自然的推廣.我們看到利用路徑探測器所獲得的更多路徑信息, 必然伴隨著干涉對比度的減弱; 而同時可獲取的粒子性信息與波動性信息并不會因為路徑探測器的使用而增加.

為了說明上面抽象的計算, 我們來看幾個具體的例子.在文獻[10]中, 作者討論了利用非對稱分束器的Mach-Zehner干涉儀中的波粒二象性關系.如圖2 所示, 以 | mi〉,i=1,2 表示經過鏡子 mi的路徑, 假設第二個分束器 B S2為非對稱, 整個干涉儀在路徑上的效果可以總結為下面的幺正矩陣

圖2 利用路徑探測器 (WPD)的 Mach-Zehnder干涉儀Fig.2.The Mach-Zehnder interferometer with a which-path detector.

而路徑探測器的效果利用幺正矩陣U表示.當經過第一個分束器 B S1的量子態為 ρ 時, 而探測器的初 始 態 為 ρW時, 最 后 通 過 分 束 器 B S2的 量 子 態即為

其中的 ρjk表示 ρ 在基矢量 { |m1〉,|m2〉} 下的矩陣元.按照第 2 節中的討論, 通過取偏跡, 得到

注意上面的矩陣是在基矢量 { B|m1〉,B|m2〉} 下的表示, 即第 2 節中定義的 | j 〉=B|mj〉.而 (10)式中所需區分的量子體系為

于是, 按照上文 (11)式和 (18)式的定義, 可以得到

這樣, 通過類似于(22)式的證明, 我們可以得到互補關系式 D +V≤1.

再看兩個簡單的例子, 從而更好地理解量子糾纏在(24)式中的體現.首先考慮量子態

其中 | a1〉W,|a2〉W為不一定相互正交的歸一量子態.可以得到

兩者之和為1, 這即是文獻[17]中所說的信息守恒.但注意到這里的理論框架較之文獻[17]更為抽象,也因而更為簡單和一般.

將上面的例子稍微復雜化, 我們考慮下面的量子態

式中下標E表示無法控制的量子自由度.這樣, 可以得到

將(35)式與(8)式比較, 即得到

即需要區分的兩個量子態與第一個例子相同, 所以路徑可區分度與上例一樣; 而相干則變為

如果假設 | 〈 b1|b2〉|1 , 即自由度E與自由度QW是糾纏的, 那么因為對于自由度E無法控制, 部分有用的信息損失掉了, 而互補關系(24)式此時變成了嚴格的不等式.

4 結 論

本文利用Bures距離和明確量子態區分研究了二路徑干涉儀中相干與路徑信息的關系, 得到了兩個互補關系(7)式和(24)式.其中(7)式可以看作標準的量化波粒二象性關系, 同時粒子性的量度P也被賦予了明確的物理意義; 而(24)式可以看作對已知結果的一般性推廣.從信息的角度而言,兩個式子都意味著路徑信息和相干是互補的.同時, 我們注意到這樣的互補關系與密度矩陣半正定的性質密切相關.