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量子假设检验互信息.docx
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量子假设检验互信息.docx
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摘 要 互信息是 互信息在量子信息中的推广
在量子信道容量中有非常好的应用由于量子态的非对易性,许多经典
信息论中的量化在量子信息中有完全不等价的推广定义量子假设检验
相对熵来自于假设检验问题,是量子信息处理中常用的基本量化之一
使用量子假设检验相对熵讨论量子互信息首先讨论量子假设检验相对
熵的一些基本性质,并给出该量化和其他量子广义熵之间的关系然后
结合相对熵的性质,给出量子假设检验互信息的定义,并讨论其性质
比如:数据处理不等式通过互信息与条件熵之和重点讨论互信息的链
式法则
关键词 量子假设检验;相对熵;互信息;条件熵;链式法则
在经典信息论中, 互信息是刻画两个随机变量相互之间
独立程度的度量,在信道编码中有很重要的应用且给出了信道容量
在量子信息论中,通过 熵形式给出了互信息的基本定
义与 互信息对应,本文称作 互信息,通常
也称作量子互信息
在量子信息处理中, 互信息可以
描述两体量子态上的全部关联
,也用于量子信道容量的刻画
,并在
量子资源理论中有非常好的应用
互信息可以由量子
相对熵给出 种等价的定义在量子信道容量的研究中,结合信道的 n
次重复使用独立同分布基于量子互信息来描述信道容量而实际中较
大量子系统上的操作难以实现且独立同分布的量子态难以制备等限制
一般考虑带有误差的有限情形或者 情形也就是 n 的情
形在 量子信息论中,涉及到带参数的熵,量子假设检验相
对熵就是非常重要的一类带参数的熵量子假设检验相对熵来自于量子
假设检验,量子假设检验类似于 个量子态的区分问题量子假设检验
是量子信息处理中的基本问题
,已得到很好的发展和应用
文献在前人工作的基础上集中讨论了量子假设检验相对熵,
较为系统地研究了其性质,给出了在 经典量子信道容量中
的应用文献给出了与文献等价的另一个量子假设检验相对熵,
得到了与其他广义熵之间的关系文献基于量子假设检验相对熵
定义了量子假设检验条件熵,刻画了具有量子边信息的数据压缩,得
到了最小压缩长度的上下界该文献也给出了量子假设检验相对熵和其
他相对熵之间的一些关系在量子假设检验相对熵的研究相对成熟的情
形下,一个自然的问题是:用量子假设检验相对熵给出量子版本互信
息的定义是否等价?如果不等价,是否存在序关系?本文将采用文献
中关于量子假设检验相对熵的定义,较为系统地研究其性质,并
讨论与其他相对熵之间的关系在 互信息中,由于贝叶斯概
率,容易得到条件熵和互信息的链式法则,但是目前还不清楚量子假
设检验相对熵版本的互信息是否存在链式法则。本文将重点研究基于
量子假设检验相对熵的互信息定义及其相应的性质
1 相关基础知识
本节介绍文中需要的一些基本记号以及相应的基础知识首先介绍
熵的基本概念
设 X 是一个离散型随机变量,其字母表为
概率密度函数为 随机变量 X 的 熵定义为
本文均使用以 为底的对数.若 个随机变量XY服从联合分布
p
xy
,则 联合熵定义为
HXY
可以定义一个随机变量在给定另一随机变量下的条件熵,即
结合贝叶斯概率公式 p
xy
p
x
p
y x
,得到联合熵和条件熵的链式法则,
即
HXYHX!HY X.
对于同一字符集上的 个概率密度函数为 p
x
和 q
x
,它们的相对熵
定义为
其中,约定 ∞.对于服从联合概率密度函数为 p
xy
的
离散随机变量XY,其边际概率密度函数分别为 p
x
和 p
y
,它们之间的
相对熵定义为 互信息,即
IX"YDp
xy
#p
x
p
y
.
互信息刻画一个随机变量包含另一个随机变量的信息量,
也描述已知另一随机变量所含有的信息量下原随机变量不确定度的减
少量结合 熵的定义, 互信息表示为
IX"YDp
xy
#p
x
p
y
HX!HYHXY
HXHX Y
HYHY X.
这里,IX"YHXHX Y和 IX"YHYHY X这 个等式是
双随机变量互信息的链式法则.
量子力学的基本框架建立在 $%&'( 空间 上,本文仅考虑有限维
空间,用 d 表示 $%&'( 空间的维数.用符号 A,B,C 等表示相应的
$%&'( 空间 用符号 I 表示空间上的恒等算子.用迹为 的半
正定算子描述量子态,通常称为密度算子或密度矩阵.在本文中常用的
算子集合有 类, 表示次归一化态集
合 ; 表 示 所 有 量 子 态 集 合 . 显 然 ,
对于量子态 ρ,其 熵定义为 Sρ
(ρ&')ρ.对于任意 个量子态 ρ 和 σ, 相对熵定义为
因为量子力学中并没有与在不同时间变量的 个变量的联合概率
分布类似的概念
,从而对于两体量子态 ρ
AB
,并没有类似于 p
xy
p
x
p
y x
的量子态表示形式,即 ρ
AB
*ρ
A
+ρ
B A
,其中 ρ
A
(
B
ρ
A
是约化密度算子,
类似于边际概率分布.算子 ρ
B A
并不是条件量子态,甚至不是量子态.因
此,没有类似于 条件熵的量子条件熵的直接定义.结合链式
法 则 , 对 于 任 意 的 两 体 量 子 态 ρ
AB
, 基 于 子 系 统 B 的
条件熵定义为
SA BSρ
AB
Sρ
B
.
显然,量子信息论中的 条件熵只是在形式上类似
于经典信息论中的 条件熵,在本质上它们之间有很大的区
别 , 比 如 : 当 两 体 量 子 态 为 纠 缠 态 时 , SA B,. 这 说 明
条件熵可以为负 互信息定义为
IA-BSρ
A
!Sρ
B
Sρ
AB
.
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