Quantum Optical Inspired Models for Unitary Black Hole Evaporation
Florida Atlantic University（佛罗里达大西洋大学）
本文提出了一种受量子光学启发的黑洞蒸发模型，通过高斯态和纠缠对的相互作用，尝试重现页面曲线并保持霍金辐射的热性质。
2026-01-14 gr-qc quant-ph
Entanglement and final state of a black hole under general unitary transformation
通过考虑黑洞物质态的一般么正演化，研究了黑洞的终态。结果表明，当初始物质态为混合态时，在一般么正变换下，混合度减小，蒸发时的平均保真度小于量子隐形传态的保真度，其值是黑洞态数平方的倒数.通过计算部分转置块密度矩阵的纠缠保真度和本征值，研究了Alice-Bob对在蒸发过程中纠缠的变化。我们假设当黑洞形成时，爱丽丝掉到了黑洞上，而鲍勃与黑洞保持着安全距离。结果表明，纠缠保真度与希尔伯特空间维数N的平方成反比，纠缠可以在蒸发过程中存活。
2010-06-07 hep-th quant-ph
A Random Unitary Circuit Model for Black Hole Evaporation
受黑洞蒸发的Hayden-Preskill协议的启发，我们考虑了耦合到外部环境的量子多体量子系统的动力学，其中时间演化由某些$2$ -局域随机幺正回路的连续极限驱动.我们研究这两种情况下，酉选择和不保守的$U(1)$收费和专注于两个方面的动态。首先，我们分析和数值研究了系统的纠缠熵的增长，显示两个不同的时间尺度出现：一个是内在的内部动力学（混乱时间），而另一个依赖于系统-环境耦合。在存在$U(1)$守恒电荷的情况下，我们发现纠缠随时间的变化遵循Page的行为：在“蒸发”的中间阶段，纠缠开始减小，然后单调减小。其次，我们研究了从环境qudits的测量中检索最初注入系统中的信息所需的时间。基于显式的数值计算，我们描述了这样的时间，当检索器控制初始配置或没有，显示出不同的尺度出现在两种情况下。
2020-04-04 cond-mat.stat-mech hep-th quant-ph
Tensor Network Models of Unitary Black Hole Evaporation
我们引入了一类玩具模型来研究黑洞辐射的量子信息论性质.该模型是由一组等距，指定如何微观状态的黑洞在一个给定的能量演化到纠缠态的张量积黑洞/辐射希尔伯特空间。黑洞辐射的最终状态可以方便地用由这些等距线构成的张量网络来概括。我们引入了一组数量推广的Renyi熵，提供了一套完整的二分/多分纠缠措施，并给出了一个一般公式，这些超过初始黑洞状态的等距定义的模型。对于最终张量积辐射希尔伯特空间的维数与初始黑洞微观态的维数相同的模型，纠缠结构是普遍的，与等距的选择无关。在更一般的情况下，我们发现，最好的捕获“信息自由”属性的黑洞视界的模型是那些等距张量对应的状态，最大混合子系统的三方系统。
2017-02-13 hep-th quant-ph
Causality, Entanglement, and Quantum Evolution Beyond Cauchy Horizons
我们考虑一个两体纠缠系统，其中一半落入蒸发黑洞的事件视界，而另一半仍然相干地访问外部区域的实验。除了完全蒸发之外，量子态在柯西视界之外的演化不能保持幺正，这就提出了一个问题：这种演化如何被描述为量子映射，因果关系如何被保持？答案是微妙的，并以意想不到的方式与量子力学的基本定律联系在一起。我们表明，地面实验可以被设计来限制这些法律可能会改变蒸发。
2004-03-22 gr-qc quant-ph
Unitarity of black hole evaporation in final-state projection models
Almheiri等人强调，关于黑洞蒸发的其他合理信念与量子力学的一般性质量子纠缠的一夫一妻制是不相容的。研究了Horowitz和Maldacena提出的黑洞蒸发的末态投影模型，指出该模型允许量子态的克隆和多偶纠缠，使得蒸发过程的么正性与黑洞事件视界的光滑性相协调.虽然该模型似乎需要仔细调整动力学以确保黑洞S矩阵的精确么正性，但对于一般的终态边界条件，在黑洞熵中，与么正性的偏差是指数级的小;此外，黑洞内部的观察者不需要检测到与标准量子力学的任何偏差。虽然在旧黑洞内部进行的测量可能会产生违反因果关系的现象，但解码霍金辐射的计算复杂性可能会使因果关系违反不可观察。末态投影模型说明了标准量子力学的不可侵犯的原则如何在量子引力理论中被规避。
2014-07-11 hep-th quant-ph
Final state boundary condition of the Schwarzschild black hole
结果表明，Schwarzschild黑洞的内定态可以用坍缩物质和下落霍金辐射的最大纠缠双模压缩态来表示。奇异点处的最终边界条件由作用于坍缩物质场的随机么正变换来描述。出射的霍金辐射是通过末态在总波函数上的投影得到的，看起来像是一个没有经典信息传输的量子隐形传态过程。在黑洞外的观察者所看到的黑洞蒸发过程现在是一个幺正过程，但需要非定域物理学将信息传输到黑洞外。结果还表明，蒸发过程的最终态投影强烈地受到事件视界外的量子态的影响，这显然违反了局域性原理。
2006-10-10 gr-qc hep-th quant-ph
Causal and compositional structure of unitary transformations
酉变换的因果结构是任何输入子系统和任何输出子系统之间可能影响的关系的集合。我们研究这种因果结构是否可以理解的组成结构的单一。给定没有从输入系统$A$到输出系统$B$的路径的量子线路，系统$A$不能影响系统$B$。相反，给定从输入$A$到输出$B$具有无影响关系的酉$U$，则从[B. Schumacher和M. D. Westmoreland，量子信息Processing 4 no.1，（Feb，2005）]，存在$U$的电路分解，没有从$A$到$B$的路径。然而，正如我们所讨论的，有幺正，不存在一个电路分解，使所有的因果约束同时明显。为了解决这个问题，我们引入了一个新的形式主义的“扩展电路的”，这超出了什么是可表达的量子线路，与核心的新功能是能够表示直接和结构，除了顺序和张量积组成。表示酉$U$的因果忠实扩展电路分解是这样一种电路分解：当且仅当在$U$中实际存在从$A$到$B$的影响时，存在从输入$A$到输出$B$的路径。我们推导出因果忠实扩展电路分解的一大类酉，在每种情况下，分解是隐含的酉的各自的因果结构。我们假设每个有限维酉变换都有一个因果忠实的扩展电路分解。
2021-07-16 quant-ph
A Quantum Superposition of Black Hole Evaporation Histories: Recovering Unitarity
本文构建黑洞蒸发的玩具量子模型，通过量子控制幺正算符描述相干发射与反作用，使黑洞处于蒸发历史叠加中，并证明演化保持幺正性、初始态可由渐近辐射态恢复。
2025-07-22 gr-qc hep-th quant-ph
Entangled Quantum States of Causal Fermion Systems and Unitary Group Integrals
本文通过渐近计算酉群积分，分析了因果费米子系统的量子态，证明在特定极限下局域化精细预态为正，可描述一般纠缠态。
2023-07-11 hep-th math-ph math.MP
Unitary channel discrimination beyond group structures: Advantages of sequential and indefinite-causal-order strategies
对于最小误差通道歧视的任务，只涉及单一的渠道，我们表明，顺序策略可能优于并行的。此外，我们表明，涉及不确定的因果顺序的一般策略也有利于这项任务。然而，对于区分一组均匀分布的单一通道，形成一个组的任务，我们表明，平行的策略，确实是最佳的，即使相比，一般的策略。我们还表明，基于量子开关的策略不能优于顺序策略在酉信道的歧视。最后，我们推导出一个绝对上限的最大概率成功地区分任何一组酉信道与任何数量的副本，最一般的战略，适合于信道歧视。我们的界限是紧的，因为它是饱和的酉通道组形成一个组k-设计。
2022-05-13 quant-ph
Unitary causal decompositions: a characterisation via lattice theory
University of Oxford（牛津大学）；Perimeter Institute for Theoretical Physics（佩里曼理论物理研究所）；Quantinuum
本文利用格理论刻画幺正因果分解的存在性，提出组合条件精确描述可分解的无影响约束集，推进量子因果结构研究。
2026-09-15 math.CO math.RA quant-ph
Entropy budget for Hawking evaporation
本文将黑体辐射的熵补偿论证推广至黑洞 Hawking 蒸发，采用改进的平均子系统方法分析三分体纯系统，证明幺正性假设下蒸发过程具有合理的熵预算，且年轻黑洞的非零熵等同于 Bekenstein 熵。
2017-07-24 gr-qc hep-th quant-ph
Deterministic transformations between unitary operations: Exponential advantage with adaptive quantum circuits and the power of indefinite causality
本文分析了量子线路的性能和将任意幺正操作$U$的$k$转换为另一个幺正操作$f(U)$的一般过程。当期望函数$f$是同态时，即，$f(UV)=f(U)f(V)$，已知最佳平均保真度可通过并联电路获得，并且不确定的因果关系不提供任何优点。在这里，我们表明，当考虑反同态时，情况发生了巨大的变化，即，$f(UV)=f(V)f(U)$。特别地，我们证明了当$f$是一个反同态时，时序电路可以指数地优于并行电路，并且具有不定因果顺序的过程可以优于时序过程。我们提出了明确的建设，如何获得这样的优势，酉反演任务$f(U)=U^{-1}$和酉转置任务$f(U)=U^T$。我们还建立了酉估计和并行酉转置问题之间的一对一的联系，允许一个容易地将结果从一个领域转换到另一个领域。最后，我们将我们的结果应用到几个具体的问题实例中，并提出了一种基于计算机辅助证明的方法来显示最优性。
2022-03-28 quant-ph
Quantum Causal Graph Dynamics
考虑一个图，每个节点上都有量子系统。假设整个事物按照一个整体的、酉的因果算子以离散的时间步长演化。因果关系的意思是信息只能以有限的速度传播，相对于图中给出的距离。假设，此外，图形本身是受演化，并可能被驱动到一个量子叠加的图形-根据叠加原理。我们表明，这些单一的因果运营商必须分解为一个有限深度的电路的地方酉门。这统一了量子细胞自动机的结果与另一个可逆因果图动力学。一路上，我们形式化的因果关系的概念，这是有效的时变图的量子叠加的上下文中，并具有一些良好的性能。保留字：量子格子气自动机，块表示，柯蒂斯-赫德伦-林登，无信号，局部化，量子引力，量子图形，因果动态三角剖分，自旋网络，动态网络，图形重写。
2017-06-02 cs.DM gr-qc quant-ph
Unitary evolution of an evaporating black hole in canonical quantum gravity
University of Waterloo（滑铁卢大学）；Perimeter Institute（珀尔默特研究所）；Pusan National University（釜山国立大学）；National Taiwan University（台湾大学）
本文提出正则量子引力框架，利用相干态重叠解释黑洞蒸发中的幺正演化，并引入玩具模型，以违反熵界为代价实现细粒度幺正性。
2026-09-15 gr-qc hep-th quant-ph
Practical implementation of arbitrary nonlocal controlled-unitary gate via indefinite causal order
Shijiazhuang Tiedao University（石家庄铁道大学）；Beijing Institute of Technology（北京理工大学）；University of Science and Technology Beijing（北京科技大学）
本文提出了一种基于不定因果顺序的实用协议，实现任意受控单元arity门，通过调整单量子比特操作减少电路复杂度并提高实验灵活性。
2026-03-09 quant-ph
Indefinite causal order strategy does not improve the estimation of group action
针对紧群射影酉表示下的未知酉操作估计问题，本文引入GPOVM及其协变条件，证明在群协变误差函数下不定因果序与自适应策略均不能超越最优并行策略。
2025-10-18 quant-ph
The information loss problem and Hawking radiation as tunneling
本文回顾解决信息丢失问题的方法，重新审视霍金辐射隧穿方案，从量子隧穿概率解释黑洞熵，证明黑洞蒸发由含时薛定谔方程支配且为幺正过程，纯态保持纯态而非混合态。
2025-02-14 gr-qc hep-th quant-ph
Better Late than Never: Information Retrieval from Black Holes
我们表明，为了保持等效原理，直到后来的时候，在酉蒸发黑洞，黑洞的热力学熵必须主要是熵的纠缠横跨事件视界。对于这样的黑洞，我们表明，进入黑洞的信息成为编码在一个三重量子态，一个一次性垫的量子模拟的相关性，只有在蒸发很晚才解码成向外辐射。这种行为一般地描述了高度纠缠的黑洞的幺正蒸发，并且不需要特别设计的演化。我们的工作表明，任何基本理论都存在一个物质场求和规则。
2013-03-06 gr-qc hep-th quant-ph
Reversible computation and the causal structure of space-time
可逆算法在经典计算和量子计算中都起着至关重要的作用。虽然对于经典位来说，唯一不平凡的可逆操作是位翻转，但自然界在允许对量子位进行的操作方面要灵活得多。量子计算机可以对量子比特执行的可逆操作是线性酉变换组。然而，量子力学的定律禁止反线性反幺正门的实现，即使它们是完全可逆的。在这里，我们表明，这样的限制可能的可逆操作的集合是，值得注意的是，时空结构的基本约束。特别是，它将表明，任何反线性反幺正门的建设将导致违反一个基本的因果原语，这是根本不同的相对论因果关系的原则，我们将论证。
2022-11-11 quant-ph
Information paradox and black hole final state for fermions
黑洞信息佯谬是霍金关于黑洞蒸发过程中量子相干性丧失的半经典论证与量子力学的基本原理纯态向纯态演化矛盾的结果。三十多年来，这个矛盾一直是量子力学和广义相对论最终统一的主要障碍之一。最近，一个在黑洞内部的终态边界条件被提出来解决玻色子的这个矛盾。然而，尽管费米子的霍金效应已经被研究了一段时间，但对于费米子还不存在这样的补救措施。在这里，我报告说，黑洞信息悖论可以解决费米子施加一个最终状态的边界条件，这类似于本地测量后选择。在这种情况下，蒸发可以被看作是由随机酉变换确定的后选择。蒸发过程强烈依赖于事件视界的边界条件。这种方法可能为解决信息悖论及其他问题的统一理论铺平道路。
2006-07-25 gr-qc hep-th quant-ph
Signaling, Entanglement, and Quantum Evolution Beyond Cauchy Horizons
考虑一个两体纠缠系统，其中一半落入蒸发黑洞的事件视界，而另一半仍然可以在外部区域进行相干实验。除了完全蒸发之外，量子态在柯西视界之外的演化不能保持幺正，这就提出了一个问题：这种演化如何被描述为量子映射，因果关系如何被保持？这种非标准的量子演化映射对纠缠实验室伙伴的行为可能产生什么影响？更一般地说，在极端条件下，在遥远区域（不仅在蒸发的黑洞内部，而且可能在其他裸奇点和极端时空结构的区域附近）的量子演化定律仍然没有通过观测来检验，并且可能是非幺正的，甚至是非线性的，这就提出了关于纠缠态演化的同样问题。这些问题的答案是微妙的，并以意想不到的方式与量子力学的基本定律联系在一起。我们表明，地球上的实验可以被设计成探测和限制量子演化定律可能会被改变，无论是通过黑洞蒸发，或通过其他极端的过程在偏远地区可能由未知的物理。
2004-09-29 gr-qc hep-th quant-ph
On the fidelity of information retrieval in the black hole final state model with scrambling interactions
本文在黑洞终态模型中引入置乱幺正相互作用，直接计算显示蒸发过程中信息近乎丢失，而 Yoshida-Kitaev 解码仅能有限提升保真度，说明该框架或难完全恢复幺正性。
2024-06-14 gr-qc hep-th quant-ph
Tensor networks for quantum causal histories
在本文中，我们构建了一个量子因果历史的张量网络表示，作为直接表示状态的量子引力通过体张量网络的一步。量子因果历史是因果集合的量子扩展，在这个意义上，因果集合中的每个事件被分配一个量子态的希尔伯特空间，事件之间的局部因果演化由完全正的和保迹的映射来建模。在这里，我们利用完全正的和保迹映射的通道态对偶性将因果演化转化为二体纠缠态。我们构造一个单一的量子因果历史的矩阵产品的状态，通过投影所获得的二分态的事件上的物理状态。在因果序相容的限制条件下，我们还构造了纠缠量子因果历史的二维张量网络态。通过以类似于精确全息映射的方式映射量子因果历史，探索了可能的全息张量网络。构造的量子因果历史的张量网络的例子是在随时间变化的离散化量子系统的非幺正局部时间演化移动，这些非幺正演化移动被证明是必要的，以定义一个散装的因果结构和量子黑洞。最后，我们对所构建的张量网络的局限性进行了评述，并针对其在量子引力中的应用，讨论了进一步研究的方向。
2020-03-03 gr-qc quant-ph
IR-finite thermal acceleration radiation
本文研究遵循Schwarzschild-Planck移动镜运动的加速电荷在有限时间内产生热辐射，推导其发射谱、功率及有限总能量和粒子数，为在实验室中模拟黑洞蒸发提供可能。
2024-01-15 gr-qc quant-ph
Causal Decompositions of 1D Quantum Cellular Automata
本文研究一维量子元胞自动机（1D QCAs）的因果分解，证明了当系统规模 $N \geq 4r + 1$ 时，所有 1D QCAs 均可分解为最近邻相互作用的幺正路由电路，并首次给出了因果半径大于等于一的 1D QCAs 构造形式。
2025-06-27 math-ph math.MP quant-ph
Probabilistic exact universal quantum circuits for transforming unitary operations
本文研究了通用量子线路的设计问题，以概率预示的方式将$d$维酉输入操作的$k$使用转换为酉输出操作。三类协议被认为是并行电路，其中的输入操作可以同时，自适应电路，其中允许顺序使用的输入操作，和一般协议，其中使用的输入操作可以执行没有明确的因果顺序。对于这三类，我们开发了一个系统的半定规划方法，找到一个电路，获得所需的转换与最大的成功概率。然后，我们详细分析了三个特定的变换;酉转置，酉复共轭，酉反转。对于酉转置和酉逆，我们证明了，对于任何固定的尺寸$d$，自适应电路的使用$k$相比，并行的指数改善。对于酉复共轭和酉逆，我们证明了如果$k$的使用次数严格小于$d-1$，则成功的概率必然为零。我们还讨论了不确定因果顺序协议的优势，因果的，并介绍了延迟输入态量子线路的概念。
2020-04-15 quant-ph
Localized Excitations from Localized Unitary Operators
局域么正算符是量子系统局域性和因果性的基本探测：局域么正算符在纠缠态中产生局域激发。工作与明确的形式，我们探讨这些运营商在量子力学和量子场论的性质。我们发现，不同于酉算子，本地非酉算子一般创建非本地激发。我们提出了一个本地图片的量子系统中，本地化的实验只能通过本地化的哈密顿变形，因此本地化的幺正算子。我们证明了局域化的幺正算子模型某些量子猝灭。我们展示了Reeh-Schlieder定理如何从纠缠，非酉算子和局部图像的基本性质直观地得出。我们证明了最近在共形场论中关于激发态纠缠熵的准粒子图像并不是对所有局域算符都是普适的。我们证明了一个因果关系的纠缠熵和连接我们的结果的AdS/CFT对应。
2017-06-25 cond-mat.str-el hep-th math-ph
The Complexity of Learning (Pseudo)random Dynamics of Black Holes and Other Chaotic Systems
最近有人提出，非幺正黑洞蒸发的朴素半经典预言可以在对黑洞的基本描述中理解，这是忽略高复杂性信息的结果。这一猜想的有效性意味着，任何算法，这是多项式有界的计算复杂性不能准确地重建的黑洞动力学。在这项工作中，我们证明了这样的有界量子算法不能准确地预测（伪）随机幺正动力学，即使他们被赋予访问任意一组多项式复杂的观测值在这个时间演化;这表明，“学习”（伪）随机幺正是计算困难的。我们使用常见的简化模型黑洞和更一般的混沌系统通过（伪）随机动力学。我们所考虑的量子算法是完全通用的，它们对黑洞时间演化的猜测也同样是不受约束的：它不需要是线性算子，可以像任意（例如消相干）量子信道那样通用。
2023-02-23 gr-qc hep-th quant-ph
Indefinite causal order for quantum metrology with quantum thermal noise
研究了具有不定因果序的开关量子信道，用于量子比特幺正算符在量子热噪声影响下的相位估计。特定的能力被报告在切换信道与不确定的顺序，不能访问与传统的估计方法与确定的顺序。相位估计可以通过单独测量控制量子位来执行，尽管它不主动与幺正过程相互作用-只有探测量子位这样做。此外，相位估计在完全去极化的输入探针或与单元的旋转轴对准的输入探针的情况下变得可能，而这在常规方法中是不可能的。目前的研究扩展到热噪声，以前进行的调查与更对称和各向同性量子比特去极化噪声，它有助于及时探索与量子信号和信息处理的因果顺序不确定的量子信道的属性。
2022-11-03 eess.SP quant-ph
Black Holes: Information Loss But No Paradox
霍金效应导致的黑洞蒸发过程与量子力学的幺正演化理论之间的潜在冲突引起了激烈的争论。在最近的几个工作的合作，涉及我们之一，我们已经修改了争议的目的，一方面，澄清一些概念问题，围绕它，并在同一时间，认为崩溃理论有潜力提供一个令人满意的解决方案，所谓的悖论。在这里，我们展示了一个支持这一主张的明确计算，使用一个简化的黑洞产生和蒸发模型（称为CGHS模型），以及一个动力学约化理论（称为CSL），以及一些关于量子引力在与可能的奇点有关的作用的推测性的，但似乎是自然的想法。这项工作代表了[1]中首次讨论的一般思想的具体实现。
2015-09-30 gr-qc hep-th quant-ph
Noisy quantum metrology with the assistance of indefinite causal order
一个受去极化噪声影响的通用量子比特幺正算符被复制并插入到量子开关过程中，实现因果序的叠加。讨论了开关量子信道对探测-控制量子比特对联合态的作用。切换信道，然后专门调查的重要的相位估计的任务上的嘈杂的酉算子，与Fisher信息，经典或量子的性能评估。与传统的估计技术进行比较，其中噪声酉直接探测在一个阶段或两个阶段的级联与明确的顺序，或几个使用它们与两个或更多的量子位。在切换信道与不确定的顺序，具体的属性报告，有意义的估计和不存在与传统的技术。结果表明，控制量子位，虽然它从来没有直接与酉相互作用，但仍然可以单独测量有效的估计，而丢弃的探针量子位与酉相互作用。此外，控制量子位的测量保持了在困难条件下有效估计的可能性，在困难条件下，传统的估计变得不那么有效，如配置不良的输入探针，或在盲目的情况下，当酉的轴是未知的。通过测量控制量子比特的有效估计仍然是可能的，即使当输入探针倾向于与幺正的轴对齐时，或者与完全去极化的输入探针对齐时，而在这些条件下，传统的估计变得不可靠。切换通道的探测量子位的测量也被示出为相位估计添加有用的能力。这些结果有助于分析具有不定阶的开关量子信道的信息处理，并揭示了量子比特计量学的新可能性。
2021-04-13 eess.SP quant-ph
Complexity of causal order structure in distributed quantum information processing and its trade-off with entanglement
证明了分布式量子信息处理协议因果序结构的纠缠代价与经典通信复杂度之间的折衷关系。我们考虑了一类两量子比特幺正门的实现本地操作和经典通信（LOCC）辅助共享纠缠，在信息理论的情况下，渐近许多输入对和消失的小错误。我们证明了权衡关系，表明（i）一个ebit的纠缠每对是必要的实现酉任何两轮协议，和（ii）的纠缠成本由三轮协议是严格小于一ebit每对。我们还提供了一个例子的二分酉门，没有这样的权衡。
2018-10-23 quant-ph
Characterizing unitaries via quasi-process functions
Aix Marseille University, CNRS, LIS（艾克斯马赛大学、法国国家科学研究中心、信息系统实验室）
本文通过准过程函数给出任意n量子比特酉算子的规范表示，提出两个充分判据识别过程函数酉算子，并利用汉明图团划分刻画MECC酉算子电路深度，为量子电路分析提供新工具。
2026-10-02 quant-ph
Quantum causal histories in the light of quantum information
我们利用量子信息理论的技术分析了量子引力的量子因果历史方法。我们表明，虽然它是一致的，引入封闭的类时曲线（CTC），他们不能一般进行独立的自由度。此外，如果系统的时序相关部分的有效动态是线性的，则它应该与CTC完全解耦。在没有CTC的情况下，并非所有的因果结构都允许引入量子力学。对于那些且仅对于那些可以被表示为量子计算网络的因果结构来说，这是可能的。子系统的动态不应该是单一的，甚至完全是正的。然而，我们表明，其他常见的女仆假设，确保减少动态的完全积极性。
2006-11-26 astro-ph gr-qc hep-th
Reversing Unknown Quantum Transformations: Universal Quantum Circuit for Inverting General Unitary Operations
给定一个实现$d$维幺正操作$U_d$的量子门，除了$d$没有任何具体描述，并且允许使用$k$时间，我们提出了一个实现精确逆$U_d^{-1}$的普适概率预示的量子线路，其失效概率在$k$中指数衰减.该协议采用自适应策略，证明指数性能的必要性。它需要$k\geq d-1$，已证明这是用量子电路精确实现$U_d^{-1}$所必需的。此外，即使当允许具有不确定因果顺序的量子电路时，也需要使用$k\geq d-1$。然后，我们提出了一个有限的线性和半正定约束的通用酉反演协议的特点，并制定了一个凸优化问题，其解决方案是最大的成功概率为给定的$k$和$d$。当$d=2$和$k\leq 2$用于$d=3$时，使用用于$k\leq 3$的半定编程求解器计算最优值。通过这种数值方法，我们第一次表明，不确定的因果顺序电路提供了一个优势，在一个任务中，涉及多次使用相同的单一操作的因果顺序的。
2020-04-15 quant-ph
Indefinite Causal Order in Quantum Batteries
在量子电池上执行的操作被扩展到我们不再强制不同过程之间存在确定的因果顺序的场景。与标准理论相比，所谓的不确定因果顺序被发现有能力完成任务，没有它是不可能的。具体来说，我们展示了这类新的资源是如何在量子电池中发挥作用的，首先，将两个静态酉充电器组合成一个相干叠加的充电器，即使在电池的局部哈密顿量存在的情况下，也能为空电池完全充电。然后，我们证明了一个非单一的充电协议，不确定的因果顺序版本的充电器产生一个充电电池具有更高的能量比其经典的对应在任何条件下。我们还有一个与我们的直觉相反的发现，粗略地说，这意味着一个相对较弱的充电器可以保证一个具有更高能量的充电电池。最后，为了降低基于测量的保护方案所带来的成本，不确定因果序显示了其实现这一目标的潜力。
2021-05-26 cond-mat.stat-mech quant-ph
Decoherence without the state: A causal quantum Darwinist approach
Perimeter Institute for Theoretical Physics（perimeter 理论物理研究所）；University of Waterloo（滑铁卢大学）；Center for Theoretical Physics, Polish Academy of Sciences（波兰科学院理论物理中心）
本文结合因果量子达尔文主义方法，提出退相干的动态优先视角，揭示量子态从退相干过程中的双退相干产生，统一了环境诱导退相干与一致历史理论。
2026-05-08 physics.hist-ph quant-ph
Unitarity plus causality implies localizability
我们考虑一个图，每个节点上有一个量子系统。整个复合系统通过迭代全局演化$U$以离散时间步长演化。我们要求这个整体演化$U$是幺正的，符合量子理论，而这个整体演化$U$是因果的，符合狭义相对论。因果关系意味着信息只能以有限的速度传输，速度界限很自然地是$U$每次迭代的基础图的一个边缘的速度界限。我们表明，在这些条件下，运营商$U$可以实现本地，即它可以被放入一个量子线路的形式，由更多的基本运营商-每个单独作用于相邻节点。我们以量子元胞自动机为例应用这一表示定理：这种分析桥梁之间的差距公理和建设性的方法来定义QCA。关键词：量子元胞自动机，酉因果算子，量子行走，量子计算，公理化量子场论，代数学量子场论，离散时空。
2009-10-23 quant-ph
Entanglement and Causal Relation in distributed quantum computation
在本论文中，我们研究了分布式量子计算中的纠缠和经典通信两个不同的方面。在第一部分中，我们通过引入一个新的概念，量子计算的量子网络编码，分析了在给定的量子网络资源上的可实现计算。我们考虑一种网络设置，其中网络的每个边缘的量子通信被限制为发送一个量子比特，但经典通信是不受限制的。具体来说，我们分析了可实现的$k$ -量子比特酉操作在一定类别的网络，称为集群网络。我们表明，任何两个量子比特的幺正操作是可实现的蝴蝶网络和圣杯网络，这是基本的原始网络的网络编码。我们还获得了在集群网络上酉操作的概率可实现性的充分必要条件。在第二部分中，我们研究了DQC中的资源权衡。首先，我们证明了局域态鉴别所需的纠缠可以通过增加经典通信的轮数而被更少的纠缠所取代。其次，我们开发了一个新的框架，确定性的联合量子操作的输出和输入之间的因果关系的本地操作没有预定义的因果顺序，称为“经典通信”没有预定义的因果顺序（CC*）。证明了局部运算和CC*（LOCC*）等价于可分运算（SEP）.这一结果表明，纠缠辅助LOCC实现SEP可以模拟LOCC* 没有纠缠。我们还研究了LOCC* 和另一种确定性联合量子操作的形式主义之间的关系，而无需基于量子过程形式主义假设预定义的因果顺序。因此，我们通过使用LOCC* 构造了非LOCC SEP的示例。
2022-02-14 quant-ph
Existence of processes violating causal inequalities on time-delocalised subsystems
本文证明了三方过程的所有幺正扩展均可在时间非局域化子系统上实现，该类包含违反因果不等式的过程，并论证了这种违反在表明变量间无明确因果顺序方面的意义。
2023-06-28 quant-ph
Causal State Updates in Real Scalar Quantum Field Theory
在相对论性量子场论（QFT）中，在不违反因果关系的情况下，对某些可观测量的理想测量在物理上是不可能的。这就引出了两个问题：i）给定的可观测量是否可以在QFT中得到理想的测量; ii）如果不能，它在什么意义上可以被测量？在这里，我们制定了一个必要和充分条件，任何测量，更一般地说，任何状态更新（量子操作），必须满足尊重因果关系在真正的标量QFT。我们认为，对于单一的'踢'和操作涉及1-参数家族的克劳斯运营商，例如高斯测量，唯一的因果观测是模糊领域和身份-在真正的标量QFT的基本观测。我们提供了更复杂的运营商，如产品的涂抹字段的例子，并表明，相关的状态更新是因果的，因此是不可能的。尽管如此，人们仍然可以恢复这些运营商的期望值，我们展示了如何做到这一点，只使用因果测量涂抹字段。
2022-01-13 gr-qc hep-th math-ph
Disentangling signalling and causal influence
该研究将量子相互作用建模为二分酉信道，分析信号传递与因果影响的量化函数性质，解析计算两类量子门的相关数值，发现CNOT门存在两者的有限间隙但渐近极限下间隙消失。
2025-05-20 quant-ph
Reassessing the computational advantage of quantum-controlled ordering of gates
对不确定因果结构的研究是一个快速发展的领域，它不仅有可能对时空的经典理解进行根本性的修正，而且有可能实现量子信息处理的增强功能。例如，已知的是，与因果协议相比，不确定因果结构在通信复杂度方面提供指数优势。在量子计算中，这样的结构可以决定两个幺正门是对易还是反对易，只需对每个门进行一次调用，这在传统的（因果）量子算法中是不可能的。这种效应推广到$n$酉门，最初在M。Araújo等人，物理修订信函113，250402（2014）并且通常被称为傅立叶承诺问题（FPP）的问题可以用量子- $n$ -开关和对每个门的单个调用来解决，而迄今为止最知名的因果算法调用$O(n^2)$门。在这项工作中，我们表明，这种优势比预期的要小。事实上，我们提出了一个因果算法，解决了唯一已知的特定FPP与$O(n \log(n))$查询和因果算法，解决了每一个FPP与$O(n\sqrt{n})$查询。除了对这些算法本身的兴趣，我们的研究结果限制了这些问题的不确定因果结构的预期优势。
2021-02-22 quant-ph
Measuring unitary invariants with the quantum switch
本研究提出利用具有不定因果序的量子开关测量任意阶Bargmann不变量，并证明简单Hadamard测试电路可确定性模拟任意酉量子开关，为酉不变量理论应用与量子高阶映射搭建桥梁。
2025-08-04 quant-ph
Quantifying Causal Influence in Quantum Mechanics
我们将Pearl的因果影响的定义扩展到量子域，其中两个量子系统$A$，$B$与有限维希尔伯特空间嵌入在一个共同的环境$C$中，并与联合酉$U$一起传播.对于$C$的有限维Hilbert空间，我们找到了$U$上$A$对$B$有因果影响的充要条件，反之亦然.我们引入了一个易于计算的因果影响的措施，并使用它来研究因果影响的不同量子门，它的相互性，和量子叠加的不同因果顺序。对于两个二能级原子与热浴电磁波的偶极相互作用，因果影响的时空依赖性几乎完美地再现了量子纠缠的时空依赖性。
2022-04-04 quant-ph
Quantum Causal Models
众所周知，因果模型的经典框架不够一般，不足以允许对量子系统进行因果推理。虽然该框架已经以各种不同的方式推广到量子情况，但这项工作的大部分都没有确定因果概念是否是量子理论的基础，或者只在经典设备和测量结果的新兴水平上找到应用。在这里，我们提出了一个量子因果模型的框架，因果关系的定义内在的量子理论，和研究的中心对象是量子过程本身。继艾伦等人之后，Phys. Rev. X 7，031021（2017），该方法根据酉进化定义了量子因果关系，其方式类似于经典因果模型的方法，该方法假设潜在的决定论并将因果关系置于变量之间的函数依赖关系中。我们表明，任何单一的量子线路有一个因果结构对应于一个有向非循环图，当边缘化本地噪声源，所产生的量子过程满足马尔可夫条件的图形。我们也证明了这个声明的逆。我们引入一个内在的量子概念，发挥了类似于经典变量的条件独立性的作用，并（推广的经典框架的中心定理）表明，d-分离是健全的和完整的量子情况下。我们提出了经典的做演算的三个规则的概括，在每种情况下有关的因果结构的一个属性的量子过程的一个正式的属性，和一个关于干预的结果的操作语句。此外，我们介绍并得出类似的结果，经典的分裂节点的因果模型，这是更密切类似于量子因果模型比经典的因果模型，通常被研究。
2020-11-20 quant-ph
A no-go theorem for superpositions of causal orders
事件的因果顺序不需要固定：一辆公共汽车是在另一辆公共汽车之前还是之后到达某个车站，可以取决于其他变量，比如交通。因果顺序的相干量子控制也是可能的，并且是几项任务的有用资源。然而，量子控制意味着一个控制系统携带着哪个顺序的信息--如果控制被追踪，事件的顺序仍然是概率混合。两个事件的顺序是否可以是纯粹的叠加，与任何其他系统无关？在这里，我们表明，这是不可能的广泛的一类过程：一个纯粹的叠加的任何一对马尔可夫，酉过程具有相同的局部尺寸和不同的因果顺序是不是一个有效的过程，即它的结果在非正规化的概率时，探测某些操作。这一结果对量子信息处理的新资源和量子引力理论中可能的过程施加了限制。
2022-02-22 gr-qc quant-ph
Cyclic Quantum Causal Models
因果推理是科学的基础，然而量子理论却对它提出了挑战，违反贝尔不等式的量子关联在经典因果模型的框架内无法得到令人满意的因果解释。更重要的是，一个包含量子系统和引力的理论预计将允许因果不可分离的过程，其特征是以不确定的因果顺序进行操作，而无视事件是因果有序的。第一个挑战已经通过最近开发的内在量子因果模型得到解决，允许量子过程的因果解释-只要它们承认一个确定的因果顺序，即具有非循环因果结构。这项工作解决因果不可分离的过程，并提供了一个因果的角度来看，他们通过扩展量子因果模型循环因果结构。在其他应用的方法，它表明，所有酉可扩展的二分过程是因果可分的，并为酉过程，因果不可分性和循环的因果结构是等价的。
2021-03-04 quant-ph
Causal discrete field theory for quantum gravity
提出的因果结构离散场理论研究了自相似图的有向边上的整数值与传播规则，我们定义为一组有效的组合整数值和边方向周围的任何顶点的图。对于一个给定的自相似图，根据传播规则的选择，有无限可数的理论变体，其中一些模型可以生成无限不可数的模式集。这个理论采取因果关系，离散性，局部性和决定论的最小假设，以及各向同性，CPT不变性和电荷守恒的基本对称性。它结合了元胞自动机，因果集，回路量子引力和因果动力学三角形的元素，成为一个很好的候选人来描述量子引力在普朗克尺度。除了时空和度规的自洽生成来描述引力和膨胀的封闭宇宙之外，该理论还允许对量子力学进行多世界解释。我们还演示了如何在希尔伯特空间中的确定性传播的平稳宇宙的幺正演化。
2020-01-26 gr-qc quant-ph
Evading noise in multiparameter quantum metrology with indefinite causal order
该研究提出利用辅助量子系统控制的不定因果序，使仅测量控制系统即可同时估计酉与噪声信道参数，并证明相对确定因果序方案可获得p²量级的方差优势。
2023-09-13 quant-ph
Causal influence versus signalling for interacting quantum channels
本文研究相互作用量子信道中因果影响与信号传递的关系，通过Cnot门计算证明两者不匹配，并给出酉信道的连续性定理：小因果影响等价于小信号传递。
2024-02-20 quant-ph
The localization problem: an antinomy between measurability and causal dynamics
针对相对论量子理论中存在七十余年、易被忽视且困扰学界的局域化问题，本文通过历史回顾厘清文献误解，揭示可局域性与相对论因果性的根本冲突，凸显因果动力学与局域可观测量的二律背反。
2025-03-19 physics.hist-ph quant-ph
