Top Banner
Ismétlés
41

Ismétlés. Mérések – átjáró a kvantum és a klasszikus világ között.

Jan 18, 2018

Download

Documents

Wesley Atkinson

Motto "There are two possible outcomes: If the result confirms the hypothesis, then you’ve made a measurement. If the result is contrary to the hypothesis, then you’ve made a discovery.“ Enrico Fermi
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Page 1: Ismétlés. Mérések – átjáró a kvantum és a klasszikus világ között.

Ismétlés

Page 2: Ismétlés. Mérések – átjáró a kvantum és a klasszikus világ között.

Mérések – átjáró a kvantum és a klasszikus világ között

Page 3: Ismétlés. Mérések – átjáró a kvantum és a klasszikus világ között.

Motto

"There are two possible outcomes: If the result confirms the hypothesis, then you’ve made a measurement. If the result is

contrary to the hypothesis, then you’ve made a discovery.“

Enrico Fermi

Page 4: Ismétlés. Mérések – átjáró a kvantum és a klasszikus világ között.

General Measurements"WHY must I treat the measuring device

classically?? What will happen to me if I don’t??"Eugene Wigner

Page 5: Ismétlés. Mérések – átjáró a kvantum és a klasszikus világ között.

3rd Postulate using ket notations

• Measurement statistic

• Post measurement state

• Completeness relation

Page 6: Ismétlés. Mérések – átjáró a kvantum és a klasszikus világ között.

Projective Measurements(Neumann Measurements)

“Projective geometry has opened up for us with the greatest facility new territories in our science,

and has rightly been called the royal road to our particular field of knowledge.”

Felix Klein

Page 7: Ismétlés. Mérések – átjáró a kvantum és a klasszikus világ között.

Measurement operators and the 3rd Postulate in case of projective measurements

• Set of two orthogonal states

• To find we need to solve

• We are looking in the form of

• Similarly

Page 8: Ismétlés. Mérések – átjáró a kvantum és a klasszikus világ között.

Measurement operators and the 3rd Postulate in case of projective measurements

• Checking the Completeness relation

• Practical notation

• Conclusion

Page 9: Ismétlés. Mérések – átjáró a kvantum és a klasszikus világ között.

Measurement operators and the 3rd Postulate in case of projective measurements

• belong to a special set of operators called projectors

• Properties

Page 10: Ismétlés. Mérések – átjáró a kvantum és a klasszikus világ között.

Measurement operators and the 3rd Postulate in case of projective measurements

• 3rd Postulate with projectors

Page 11: Ismétlés. Mérések – átjáró a kvantum és a klasszikus világ között.

Measurement operators and the 3rd Postulate in case of projective measurements

• Direct construction approach

• Indirect construction approach

Page 12: Ismétlés. Mérések – átjáró a kvantum és a klasszikus világ között.

Measurement using the computational basis states

• Let us check what we have learned by means of a simple example

• Basis vectors and

• Measurement statistic

Page 13: Ismétlés. Mérések – átjáró a kvantum és a klasszikus világ között.

Measurement using the computational basis states

• Post measurements states

• Remark: Orthogonal states can always be distinguished via constructing appropriate measurement operators (projectors). This is another explanation why orthogonal (classical) states can be copied as was stated in Section 2.7 because in possession of the exact information about such states we can build a quantum circuit producing them.

Page 14: Ismétlés. Mérések – átjáró a kvantum és a klasszikus világ között.

Observable and projective measurements

• Any observable can be represented by means of a Hermitian operator whose eigenvalues refer to the possible values of that observable

• Expected value of such an observable can be calculated in an easy way

Page 15: Ismétlés. Mérések – átjáró a kvantum és a klasszikus világ között.

Repeated projective measurement

• What happens when we repeat a projective measurement on the same qreqister?

• Post measurement state after the first measurement

• Post measurement state after the second measurement

Page 16: Ismétlés. Mérések – átjáró a kvantum és a klasszikus világ között.

Schrödinger’s cat

"When I hear about Schrödinger’s cat, I reach for my gun."Stephen Hawking

Source: http://www.cbs.dtu.dk/staff/dave/roanoke/schrodcat01.gif

Page 17: Ismétlés. Mérések – átjáró a kvantum és a klasszikus világ között.

EPR paradox

• Einstein: “spooky action at a distance“• Eintein: “God does not play dice with the universe.”

• Bhor’s answer: "Quit telling God what to do!"• Born’s answer: "If God has made the world a perfect

mechanism, He has at least conceded so much to our imperfect intellect that in order to predict little parts of it, we need not solve innumerable differential equations, but can use dice with fair success".

Page 18: Ismétlés. Mérések – átjáró a kvantum és a klasszikus világ között.

The EPR paradox and the Bell inequality

"’Obvious’ is the most dangerous word in mathematics."Eric Temple Bell

• EPR paradox: Entanglement seems to contradict to limited speed of information transfer (light).

• Einstein: Therefore quantum mechanics provides an incomplete description of the Nature. Hidden variables!!!!

• Bell inequality: gives unambiguously different results in case hidden variables exist or not.

• Problem: hard to test it in practice.• Solution: Clauser-Horne-Schimony-Holt (CHSH) inequality

Page 19: Ismétlés. Mérések – átjáró a kvantum és a klasszikus világ között.

CHSH inequality if hidden variables exist 1

• The game: Alice and Bob investigate book titles whether certain letters are contained or not: a,b,c,d

• ‘winning’ function

Causally disconnected

rooms with identical book shelves

Alice Bob

a or b c or d

Page 20: Ismétlés. Mérések – átjáró a kvantum és a klasszikus világ között.

CHSH inequality if hidden variables exist 2

Page 21: Ismétlés. Mérések – átjáró a kvantum és a klasszikus világ között.

CHSH inequality with entangled particles

• We return to Bell inequalities and investigate CHSH inequality in the nano-world. We replace books with entangled pairs

• Alice and Bob check the following observables

Page 22: Ismétlés. Mérések – átjáró a kvantum és a klasszikus világ között.

CHSH inequality with entangled particles

Page 23: Ismétlés. Mérések – átjáró a kvantum és a klasszikus világ között.

CHSH inequality if hidden variables do not exist

Page 24: Ismétlés. Mérések – átjáró a kvantum és a klasszikus világ között.

CHSH inequality with entangled particles

• Finally we obtain which is obviously greater than the classical result 2.

• Experiments shore up the quantum model instead of the classical one!

• Consequence: HIDDEN VARIABLES DO NOT EXIST!• What may be wrong with our local realism picture?

– Locality – Realism– Logic

Page 25: Ismétlés. Mérések – átjáró a kvantum és a klasszikus világ között.

Positive Operator Valued Measurements

Page 26: Ismétlés. Mérések – átjáró a kvantum és a klasszikus világ között.

Motivations to use POVM

• In certain cases either we are not interested in the post measurement state or we are not able at all to get it (e.g. a photon hits the detector).

• Important properties of

Page 27: Ismétlés. Mérések – átjáró a kvantum és a klasszikus világ között.

POVM and the 3rd Postulate

• Measurement statistic

• Post measurement state

Unknown and/or indifferent!

• Completeness relation

Page 28: Ismétlés. Mérések – átjáró a kvantum és a klasszikus világ között.

Can non-orthogonal states be distinguished?

• The answer is definitely NOT because

• Remark: No set of measurement operators exist which is able to distinguish non-orthogonal states unambiguously. This is another explanation why non-orthogonal states can not be copied as was stated earlier, because of lack of exact information about such states we can not build a quantum circuit to produce them.

Page 29: Ismétlés. Mérések – átjáró a kvantum és a klasszikus világ között.

POVM construction example

• Our two non-orthogonal states are:

• Based on the indirect construction approach we try to ensure that

• To achieve this we need

Page 30: Ismétlés. Mérések – átjáró a kvantum és a klasszikus világ között.

POVM construction example

• To fulfil the completeness relation

Page 31: Ismétlés. Mérések – átjáró a kvantum és a klasszikus világ között.

• Completeness relation OK since

Page 32: Ismétlés. Mérések – átjáró a kvantum és a klasszikus világ között.

D2 must be positive semi-definite

• is very promising, but unfortunately wrong!

Page 33: Ismétlés. Mérések – átjáró a kvantum és a klasszikus világ között.

How to apply POVM operators - 0 and 1 has the same importance

• It requires

Page 34: Ismétlés. Mérések – átjáró a kvantum és a klasszikus világ között.

How to apply POVM operators - minimising uncertainty

• Goal: to minimise

• Assuming

Page 35: Ismétlés. Mérések – átjáró a kvantum és a klasszikus világ között.

How to apply POVM operators - minimising uncertainty

Copyright © 2005 John Wiley & Sons Ltd.

Page 36: Ismétlés. Mérések – átjáró a kvantum és a klasszikus világ között.

How to apply POVM operators - false alarm vs. not happen alarm

• It is assumed that detecting 1 correctly is much more important

Copyright © 2005 John Wiley & Sons Ltd.

Page 37: Ismétlés. Mérések – átjáró a kvantum és a klasszikus világ között.

Generalisation of POVM

Page 38: Ismétlés. Mérések – átjáró a kvantum és a klasszikus világ között.

Relations among the measurement types

• Projective measurement can be regarded as a special POVM.• Clearly speaking POVM is a generalised measurement

without the interest of post-measurement state + construction rules.

• Neumark’s extension: any generalised measurement can be implemented by means of a projective measurement + auxiliary qbits + unitary transform.

Page 39: Ismétlés. Mérések – átjáró a kvantum és a klasszikus világ között.

Relations among the measurement types

Copyright © 2005 John Wiley & Sons Ltd.

Page 40: Ismétlés. Mérések – átjáró a kvantum és a klasszikus világ között.

Quantum computing-based solution of the game with marbles

• We exploit entanglement and the orthogonality between Bell states

"Victorious warriors win first and then go to war, while defeated warriors go to war first and then seek to win.” Sun Tzu

Page 41: Ismétlés. Mérések – átjáró a kvantum és a klasszikus világ között.

Quantum computing-based solution of the game with marbles

Copyright © 2005 John Wiley & Sons Ltd.