Interstellar communication. V. Introduction to photon information efficiency (in bits per photon)
一个光子能携带多少比特的信息？直觉说“一”，但这是不正确的。利用基于光子到达时间、能量和偏振的字母表，可以对几个比特进行编码。在光子信息效率的介绍中，我们将解释如何根据编码模式、噪声和损耗的数量来计算每个光子的最大比特数。
2017-12-14 astro-ph.IM quant-ph
A Quantum Measurement Scenario which Requires Exponential Classical Communication for Simulation
在本文中，我们考虑以下问题：需要多少比特的经典通信和共享随机比特来模拟一个涉及Alice和Bob的量子协议，其中他们共享k个纠缠量子比特，并且根本不进行通信。我们证明了2^k个经典比特是必要的，即使经典协议被允许有ε个失败的机会。
2002-03-21 quant-ph
Quantum information with quantum-like bits
本文研究从经典同步系统中提炼类量子比特，提出构建同步网络协议，实现门操作，并展示非柯尔莫哥洛夫干涉特性，为多体经典系统上的类量子信息处理奠定基础。
2025-04-24 quant-ph
Optimal Encryption of Quantum Bits
我们刻画了一套完整的协议，可以用来安全地加密n量子位使用秘密和随机的经典位。除了应用这样的量子加密协议的量子数据安全，我们的框架允许许多经典的加密协议的量子数据的概括。我们表明，没有秘密的经典数据的加密状态没有信息，2n随机经典位是信息安全的量子加密所需的最小值。此外，量子操作被证明有一个令人惊讶的结构在一个典型的内积空间。这种量子加密协议是经典的一次一密概念的推广。将量子加密与量子隐形传态联系起来，给出了一种新的量子隐形传态最优性的证明。
2000-03-21 quant-ph
Redundancy of einselected information in quantum Darwinism: The irrelevance of irrelevant environment bits
客观的、经典的世界从底层的量子基底中出现，通过将选定信息的冗余副本扩散到环境中，环境充当通信信道，将信息传输给观察者。这些副本是独立可访问的，允许许多观察者通过环境中的印记就量子系统的状态达成共识。量子达尔文主义认识到，信息的冗余是量子世界中客观现实出现的核心。然而，除了“感兴趣的量子系统”之外，宇宙中还有许多其他“不感兴趣”的系统，它们可以在共同的环境中留下信息。因此，存在着一种危险，即感兴趣的信息将被不相关的比特稀释，从而抑制了负责客观性的冗余。我们表明，混合的相关（“小麦”）和不相关（“谷壳”）位的信息，使感兴趣的信息的冗余的数量差异不大。因此，我们证明，是否将相关信息与（不相关的）谷壳分开并不重要：相关信息的大量冗余在稀释中幸存下来，提供了客观的，有效的经典世界的证据。
2017-03-29 quant-ph
Resonant Perturbation Theory of Decoherence and Relaxation of Quantum Bits
本文描述了我们最近关于多量子比特量子系统退相干和弛豫的共振微扰理论的结果。该方法代表了一个严格的分析一般$N$水平系统耦合到水库的玻色子场的退相干和松弛的现象。我们推导出一个代表性的减少动态有效的所有时间$t\geq 0$和小，但固定的相互作用强度。我们的方法不涉及主方程近似，并适用于各种各样的系统，这是不明确的解决方案。
2009-11-16 quant-ph
The Nature and Location of Quantum Information
量子信息是通过将普通（香农）信息理论的概念应用于由单个框架或相容族组成的量子样本空间来定义的。对自旋半粒子的经典类比和其他论证表明，在希尔伯特空间中指定一个精确矢量所需的无限信息量并不是对具有$d$维希尔伯特空间的量子实体所携带信息的度量;相反，后者由log d比特（每个量子比特1比特）限制。在密集编码中传输的两个信息比特不是位于一个量子比特中，而是位于两个量子比特之间的相关性中，与这个界限一致。量子信道可以被认为是一个“结构”或框架的集合，并且信息在各个框架中的物理位置可以用于识别信道的位置。对一个用作隐形传态模型的量子线路的分析表明，通道的位置取决于所采用的结构;对于普通的隐形传态，它不存在于贝尔基测量产生的两个比特中（与Deutsch和Hayden相反），而是存在于这些比特与一个遥远的量子比特的相关性中。在隐形传态和密集编码中，信息都不会在时间上向后传播，也不会通过非定域（超光速）影响进行传输。（试探性地）提出，量子信息的所有方面原则上都可以根据特定框架中信息的（基本上经典的）行为以及该信息的框架依赖性来理解。
2002-03-13 quant-ph
Scalable Emulation of Sign-Problem$-$Free Hamiltonians with Room Temperature p-bits
不断发展的量子计算领域是基于q比特的概念，q比特是0和1的微妙叠加，需要低温来实现其物理实现，以及具有挑战性的相干耦合技术来纠缠它们。相比之下，概率比特或p比特是在0和1之间波动的鲁棒经典实体，并且可以使用当今技术在室温下实现。在这里，我们表明，一个概率协处理器建立了室温p位可用于加速模拟一类特殊的量子多体系统的符号问题$-$自由或随机，利用著名的铃木-特罗特分解，映射一个$d$维量子多体哈密顿量的$d$ +1维经典哈密顿量。这种映射允许通过经典计算机对量子系统进行有效的仿真，并且通常用于软件中以执行量子蒙特卡罗（QMC）算法。相比之下，我们表明，一个紧凑的，嵌入式的基于MTJ的协处理器可以作为一个高效的硬件加速器，这样的QMC算法提供了几个数量级的速度提高相比，优化的CPU实现。使用现实的设备级SPICE模拟，我们证明了正确的量子相关性，可以获得使用现有技术和在室温下工作的经典p电路。所提出的协处理器可以作为一种工具来研究随机量子多体系统，克服与物理量子退火相关的挑战。
2019-10-21 quant-ph
Dynamical quantum phase transitions in many-body localized systems
我们研究了无序量子多体模型中的动力学量子相变，该模型支持多体局域相。采用$l$位的形式主义，我们奠定了条件的奇点指示的过渡出现在多体局域化的上下文中。使用的组合映射到$l$位和精确的对角化结果，我们明确地证明了这些奇异性的候选模型，功能多体局域化的存在。我们的工作为理解多体局域化背景下的动力学量子相变铺平了道路，并阐明了后者的不同相位是否可以通过分析前者来检测。所提出的结果是实验访问与国家的最先进的超冷原子和离子阱设置。
2019-03-07 cond-mat.dis-nn cond-mat.quant-gas cond-mat.stat-mech
Entanglement in prepare-and-measure scenarios: many questions, a few answers
纠缠和量子通信是量子信息科学中的典型资源，导致没有经典类似物的系统之间的相关性。由于纠缠的相关性时，通信是缺席长期以来一直在贝尔的情况下研究。在过去的十年里，由于量子通信的相关性，当纠缠不存在时，已经在测量和测量方案中得到了广泛的研究。在这里，我们开始了解和研究涉及纠缠和通信的场景中的相关性，重点是纠缠辅助的测量和测量场景。在最近的一篇姊妹论文[arXiv：2103.10748]中，我们研究了基于无限制纠缠的相关性。在这里，我们的重点是限制纠缠的情况。我们建立了标准的经典和量子通信之间的几个基本关系和它们的纠缠辅助对应。特别是，虽然已经知道发送者和接收者之间的双量子比特纠缠辅助的比特或量子比特构成了比裸比特或量子比特更强的资源，但我们表明，更高维的纠缠进一步增强了比特或量子比特的能力。我们还提供了广义密集编码协议的特征，纠缠辅助量子通信协议的自然子集，发现它们可以被理解为实值希尔伯特空间中的标准量子通信协议。虽然这种密集的编码协议可以传达高达两位的信息，我们提供的证据，也许是反直觉的，即资源与一个小的信息容量，如裸qutrits，有时可以产生更强的相关性。在此过程中，我们留下几个插图，并以一系列有趣的开放问题作为结束。
2022-05-05 quant-ph
Certification of quantum states with hidden structure of their bitstrings
量子计算技术的快速发展已经使得操纵几十个量子比特的集体状态成为可能。这一成功对表征和验证大规模多体量子态的高效可靠的方法提出了强烈的需求。传统的方法，如量子层析成像，需要在经典计算机上存储和操作波函数，在大量自由度的情况下使用变得有问题。在本文中，我们提出了一个数值上便宜的过程来描述和区分量子态，这是基于有限数量的简单的投影测量在至少两个不同的基地和计算的跨尺度的不同的比特串模式通过粗粒化。通过这一过程获得的信息可以被看作是量子态的"散列函数"--一组简单的数字，它特定于具体的多体波函数，并可用于证明。通过对一些典型例子的研究，我们发现用这种方法可以刻画不同纠缠结构的量子态，包括混沌量子态。讨论了相异性与量子相关性的标准度量（例如冯诺伊曼熵）的联系。我们还证明了我们的方法可以用来检测多体量子磁系统中不同性质的相变。
2021-07-21 cond-mat.dis-nn cond-mat.stat-mech cond-mat.str-el
Qubit exchange interactions from permutations of classical bits
为了准备引入动力学多体，并最终，场理论模型，我们在这里表明，量子力学交换相互作用在一个三自旋链可以出现从确定性动力学的三个经典伊辛自旋。后者的状态形成本体论基础，这将参考特胡夫特在量子力学的元胞自动机解释中提出的本体论进行讨论。我们的结果说明了一个新的Baker-Campbell-Hausdorff公式终止级数展开。
2020-01-29 math-ph math.MP quant-ph
Quantum Communication Complexity (A Survey)
量子通信能比经典通信更有效吗？Holevo定理排除了通过传输n个量子比特来传输n个以上的经典信息的可能性-除非双方纠缠在一起，在这种情况下，可以传输的经典比特数是原来的两倍，但不会更多。显然矛盾的是，存在分布式计算任务，量子通信无法通过经典手段有效地模拟。在极端情况下，传输量子比特的效果不能在传统上实现，除非传输指数级更大数量的比特。同理，纠缠能被用来节省经典通信吗？众所周知，纠缠本身对于信息的传输是无用的。然而，在不允许通信的经典世界中，存在根本无法完成的分布式任务，但如果非通信方共享先前的纠缠，则这些任务成为可能。这就引出了一个问题，就经典通信而言，提供一个精确模拟纠缠的幽灵般的力量是多么昂贵。
2001-01-01 quant-ph
Experimental Low-Latency Device-Independent Quantum Randomness
随机性的应用，如私钥生成和公共随机性信标，需要小块的认证随机位的需求。设备无关的量子随机数发生器可以产生这样的随机比特，但是现有的量子证明协议和无漏洞实现具有高延迟，需要许多小时来产生任何随机比特。我们证明了设备无关的量子随机性生成从一个无漏洞的贝尔测试与更有效的量子证明协议，获得多个块的$512$位的平均实验时间小于$5$分钟每块，并与认证的误差由$2^{-64}\approx 5.42\times 10^{-20}$界定。
2019-12-24 quant-ph
Quantum Random Access Codes for Boolean Functions
$n\overset{p}{\mapsto}m$随机访问码（RAC）是将$n$比特编码成$m$比特，使得可以以至少$p$的概率恢复任何初始比特，而在量子RAC（QRAC）中，将$n$比特编码成$m$量子比特。自提出以来，RAC的想法以许多不同的方式推广，例如允许使用共享纠缠（称为纠缠辅助随机存取码，或简称ERAC）或恢复多个比特而不是一个比特。本文将随机存取码的思想推广到恢复给定布尔函数$f$在初始位大小固定的任意子集上的值，我们称之为$f$ -随机存取码。我们研究并给出了$f$ -随机存取码的协议，它具有经典（$f$ -RAC）和量子（$f$ -QRAC）编码，以及许多不同的资源，例如私有或共享随机性，共享纠缠（$f$ -ERAC）和Popescu-Rohrlich盒（$f$ -PRRAC）。我们的协议的成功概率的特点是由布尔函数$f$的\emph{noise stability}。此外，我们给出了一个\emph{upper bound}的成功概率的任何$f$ -QRAC共享的随机性，匹配其成功概率的乘法常数（和$f$ -RAC的扩展），这意味着量子协议只能实现有限的优势，他们的经典同行。
2021-03-04 cs.CC quant-ph
How many ebits can be unlocked with one classical bit?
我们发现一个上限的速度，纠缠可以解锁的经典位。特别是，我们表明，对于量子信息源指定的集合的纯二分态，一个经典位可以解锁最多一个ebit。
2007-03-26 quant-ph
Data Structures in Classical and Quantum Computing
本综述总结了与数据结构（主要是静态数据结构）相关的量子计算的几个结果。首先，我们描述了经典的数据结构的集合成员和前任搜索问题：完美的哈希表集合成员的Fredman，Komlós和Szemerédi和数据结构的Beame和Fich的前任搜索。我们还证明了它们的空间复杂度（需要多少位）和时间复杂度（需要读取多少位来回答查询）。之后，我们将注意力转向具有量子访问的经典数据结构。在量子访问模型中，数据存储在经典比特中，但它们可以以量子方式访问：我们可以以单位成本叠加读取几个比特。我们给出了在这种情况下的下界证明，表明第一节中的经典数据结构在某种意义上是渐近最优的-即使在量子模型中。事实上，这些证明比以前的经典计算模型的证明更简单，并给出更强的结果。Radhakrishnan、Sen和Venkatesh证明了集合成员的下界，Sen和Venkatesh证明了前一个问题的结果。最后，我们研究完全量子数据结构。我们现在用量子比特编码数据，而不是用经典比特编码数据。我们允许任何单一的操作或测量，以回答查询。我们描述了一个数据结构的德沃尔夫的集成员资格问题，也是一个通用的框架，使用完全量子数据结构的量子行走杰弗里，Kothari和Magniez。
2013-08-04 cs.DS quant-ph
Many-Worlds Interpretation of Quantum Mechanics: A Paradoxical Picture
基于量子力学的多世界解释（MWI）中存在（半）确定性平行世界的现实，从一个前所未有的本体论视角研究了MWI.它表明，由于不确定原理，将没有一致的方式来指定正确的宇宙本体论，因此MWI受到一个固有的矛盾，声称我们生活的世界是不真实的。
2020-11-27 quant-ph
An introduction to Fault-tolerant Quantum Computing
在本文中，我们提供了一个基本的介绍容错量子计算的核心思想和理论。这些概念是大规模量子计算和通信的理论框架的基础，也是最近许多构建中小尺寸可控量子比特阵列的实验努力的驱动力。我们研究冗余量子编码的基本原理，需要保护量子比特从不精确的控制和环境相互作用产生的错误，然后检查主要是一个经典的框架容错的原则。由于量子容错本质上是避免量子比特之间相互作用所导致的不可控制的错误级联，因此这些概念可以直接映射到量子信息。
2015-08-15 quant-ph
One Bit of Collective Information Is Worth N ln 2 Bits of Local Information in a Many-Body Quantum Battery
National Institute of Technology Puducherry（国立技术学院普杜切里）；Swansea University（斯旺西大学）
该研究对比量子电池中1比特集体信息与1比特局域信息的功增益，发现集体信息的功增益为局域信息的N ln2倍，揭示了量子电池中集体信息的高价值及相关标度特性。
2026-09-07 quant-ph
Memory-Sample Lower Bounds for Learning with Classical-Quantum Hybrid Memory
在Raz（J. ACM和FOCS 16）的工作中，证明了任何用于$n$位上的奇偶校验学习的算法需要经典存储器的$Ω(n^2)$位或随机样本的指数数（在~$n$中）。最近的一系列工作继续了这一研究方向，并表明对于大量的经典学习任务，需要超线性的经典记忆大小或超多项式的许多样本。然而，这些结果并没有捕捉到所有的物理计算模型，特别是量子计算机和量子存储器的使用。它留下了一种可能性，即一小块量子记忆可以显著减少对经典记忆或样本的需求，从而完全改变经典学习任务的性质。在这项工作中，我们证明，任何量子算法，经典的记忆和量子记忆，奇偶校验学习$n$位，需要要么$Ω(n^2)$位的经典记忆或$Ω(n)$位的量子记忆或指数数量的样本。换句话说，奇偶校验学习的存储器样本下限在性质上保持相同，即使学习算法除了使用经典存储器之外还可以使用大小为$c n$的量子存储器（对于某个常数$c>0$）。我们的研究结果反驳了少量量子存储器显着减少有效学习这些问题所需的经典存储器大小的可能性。我们的研究结果也意味着改进的安全性现有的几个密码协议在有界存储模型（协议是基于奇偶校验学习$n$位），证明安全性持有，即使在量子对手的存在下，最多$c n^2$位的经典存储器和$c n$位的量子存储器（对于一些常数$c>0$）。
2023-03-01 cs.CC quant-ph
Protecting coherence from the environment via Stark many-body localization in a Quantum-Dot Simulator
本文提出在半导体量子点阵列中利用磁场梯度诱导动力学ℓ比特实现斯塔克多体局域化，从而保护量子相干性免受电荷噪声和声子影响，并展示基于热化的自校正逻辑门，为半导体量子计算机的被动量子纠错开辟新途径。
2024-06-26 cond-mat.str-el quant-ph
Trading quantum for classical resources in quantum data compression
我们研究了纯量子信号状态的源E的可见压缩，或者更正式地说，当压缩器被赋予输入状态序列的身份作为经典信息时，表示具有任意高保真度的任意长的信号串所需的每个信号的最小资源。根据量子源编码定理，最佳量子速率是每个信号的冯诺伊曼熵S（E）量子比特。我们开发了这个定理的改进，以分析的情况下，状态被编码成经典和量子比特分别量化。这导致了权衡曲线Q（R），其中每个信号的Q（R）量子比特是对于每个信号的R比特的给定经典速率的最佳量子速率。我们的主要结果是一个明确的特点，这个权衡功能的一个简单的公式，只有单一的信号，完美的保真度编码的来源。我们给出了一个彻底的讨论，我们的公式，包括分析其行为的群协变源和一个概括的源连续参数化状态的许多进一步的数学性质。我们还表明，我们的结果导致了一些推论的特征之间的权衡信息增益和量子源的状态扰动。此外，我们指出我们的技术也提供了一个解决方案，所谓的远程状态准备问题。最后，我们开发了一个概率-自由版本的我们的主要结果，这可能被解释为一个答案的问题：“多少经典位的量子位成本？”这个定理提供了Holevo定理的一种对偶，因为后者描述了将经典比特编码成量子比特的成本。
2002-04-08 quant-ph
Quantum Noise, Bits and Jumps: Uncertainties, Decoherence, Trajectories and Filtering
结果表明，100年前以量子热噪声和量子自发跃迁统计形式出现的“老”量子力学的许多耗散现象，用75年前海森堡和薛定谔发现的“新”保守量子力学是无法解释的。这导致了许多量子悖论，在本文中重新考虑。由冯·诺依曼发起的量子测量理论的发展，表明了通过将动力学生成元的代数与实际可观测量的代数分离来解决这一解释危机的可能性。它表明，在这种方法中，量子因果关系可以恢复的形式，超选择规则的兼容性，过去的观测与潜在的未来。这个规则，连同确保历史一致性的测量的自相容性，被称为非破坏性原则。应用这种因果关系条件的形式的动态交换关系导致推导出广义冯诺依曼减少，usharp，瞬时，自发，甚至连续的时间。这给出了一个量子概率解，以动力学滤波方程的形式，解决了从薛定谔和玻尔开始的许多著名物理学家都没有成功解决的臭名昭著的测量问题。最简单的马尔可夫量子随机模型的连续时间测量涉及的边界值问题，在第二次量子化的输入“提供”波在一个额外的维度，和减少的代数的“实际”可观的阿贝尔子代数的输出波。
2005-12-22 quant-ph
On the Optimality of a Quantum Key Distribution
Technical University of Varna（瓦尔纳技术大学）
本文提出了一种确定量子密钥分配系统最优性的方法，通过定义最优性量并实现完全高效的QKD系统，引入了BB84-QKD和双场QKD的最优版本。
2025-12-11 quant-ph
Probabilistic Interpolation of Quantum Rotation Angles
针对量子设备旋转角度分辨率受限的问题，提出概率角度插值（PAI）方法，通过随机选择离散门设置并后处理输出实现连续旋转，在最小开销下显著放宽了硬件要求。
2023-11-14 quant-ph
Large Stark tuning of donor electron spin quantum bits in germanium
半导体中的施主电子自旋可以产生特殊的量子比特，因为它们的相干时间很长，而且与工业制造技术兼容。尽管基于施主的量子比特技术取得了许多进展，但选择性地操纵单个施主电子自旋仍然很困难。在这里，我们表明，通过用锗取代流行的半导体基质材料（硅），施主电子自旋量子比特可以通过超过系综线宽进行电调谐，使它们与门可寻址量子计算架构兼容。利用X波段脉冲电子自旋共振技术，测量了锗中施主电子自旋的斯塔克效应。我们解决了自旋轨道和超精细斯塔克位移，并发现在0.4 T，自旋轨道斯塔克位移占主导地位。自旋轨道斯塔克位移是高度各向异性的，取决于相对于晶轴的电场取向和外部磁场。当斯塔克位移最大化时，自旋轨道斯塔克参数比硅大四个数量级。在选择的取向超精细斯塔克效应也得到解决，是一个数量级大于硅。我们报告的斯塔克参数为$^{75}$作为和$^{31}$ P施主电子，并比较它们与现有的理论。我们的数据表明，锗中的$^{31}$ P施主可以被调谐至少四倍的系综线宽，使锗成为一种有吸引力的新的自旋量子位的主体材料，提供了比硅更大的优势。
2016-06-30 cond-mat.mes-hall quant-ph
System design and realisation towards optimising secure key bits in free space QKD
本文提出了一个实用且系统的 QKD 实现框架，涵盖设备校准、同步、光学对准和密钥后处理，并集成 EPCD 协议以提升密钥生成率，为安全量子通信系统的研究与部署提供了通用工具。
2025-08-14 physics.optics quant-ph
