在量子力学中, 算子代数上的线性映射称为超算符[1], 在量子信息中扮演着重要的角色[2].比如, 量子系统中的离散物理变换, 包括量子计算和量子噪声, 均是由完全正的保迹映射(称为量子运算)表示.另一个例子是部分转置, 虽然部分转置是正映射,但不是完全正映射, 它是纠缠理论中判断量子态是否纠缠的重要内容[3-6].
众所周知, 一个量子系统是由一个Hilbert空间描述, 量子系统中的线性算子都是有界算子[7].设${\Bbb X}$和${\Bbb Y}$为两个有限维的Hilbert空间, $B({\Bbb X}, {\Bbb Y})$为从${\Bbb X}$到${\Bbb Y}$上的所有有界线性算子之集, 特别地, 记$B({\Bbb X})=B({\Bbb X}, {\Bbb X})$.定义$B({\Bbb X}, {\Bbb Y})$上的内积为
则$B({\Bbb X}, {\Bbb Y})$为一个复内积空间.线性映射$\Phi: B({\Bbb X})\rightarrow B({\Bbb Y})$称为${\Bbb X}$到${\Bbb Y}$上的一个超线性算符, 简称超算符.记$B(B({\Bbb X}), B({\Bbb Y}))$为从$B({\Bbb X})$到$B({\Bbb Y})$上的所有超算符之集.
在$B(B({\Bbb X}), B({\Bbb Y}))$上定义映射的加法和数乘:
(ⅰ) 加法: 设$\Phi_{1}, \Phi_{2}\in B(B({\Bbb X}), B({\Bbb Y}))$, 则$\Phi_{1}+\Phi_{2}$定义为
(ⅱ) 数乘: 设$\Phi\in B(B({\Bbb X}), B({\Bbb Y}))$, $\alpha \in {\Bbb C}$, 则$\alpha\Phi$定义为
则$B(B({\Bbb X}), B({\Bbb Y}))$构成了复数域${\Bbb C}$上的一个线性空间.
设超算符$\Phi\in B(B({\Bbb X}), B({\Bbb Y}))$, 对于任意$A_{1}\in B({\Bbb Y}), A_{2}\in B({\Bbb X})$, 定义算子$\Phi^{\dagger}$为
则$\Phi^{\dagger}$存在且唯一, 并且$\Phi^{\dagger}\in B(B({\Bbb Y}), B({\Bbb X}))$, 称$\Phi^{\dagger}$为超线性算符$\Phi$的伴随.
在复合量子系统中, 类似算子张量积[2]的定义, 也可以定义超算符的张量积.任给一组超算符$\Phi_{i}:B({\Bbb X}_{i})\rightarrow B({\Bbb Y}_{i}), i=1, 2, \cdots, n$, 则他们的张量积
定义为
在量子计算和量子信息中, 量子运算有一个强大的数学表示—算子和表示, 也称为Kraus表示, 在计算和理论中都有重要的作用[9].虽然每一个量子运算都有Kraus表示, 但表示是不唯一的.事实上, 任何超算符都有Choi-Jamiolkowski表示, 并且文献[10-11]证明了Choi-Jamiolkowski表示的一些等价性质.另外, 对于每一个超算符而言, 还存在其他的表示形式, 具体参见文献[12-13].
本文结构安排如下:首先, 回顾超算符的自然表示和Choi-Jamiolkowski表示的相关概念和讨论了其相关性质; 其次, 建立了同一个超算符的这两种表示之间的相互转化关系, 并给出了一些重要例子.
设$\{|i\rangle\}\subset{\Bbb X}$和$\{|m\rangle\}\subset{\Bbb Y}$分别为${\Bbb X}$和${\Bbb Y}$上的正规正交基, $\forall A\in B({\Bbb X}, {\Bbb Y})$, 有
相应地, 则$A$的复共轭, 转置和伴随分别表示为
空间$B({\Bbb X}, {\Bbb Y})$与${\Bbb Y}\otimes {\Bbb X}$之间存在一个对应关系, 且由映射${\rm vec}: B({\Bbb X}, {\Bbb Y})\rightarrow {\Bbb Y}\otimes {\Bbb X}$, 即
给出[14].
注2.1 vec是一个线性双射且在内积意义下是一个同构映射, 即
并且(2.2) 式等价于
其中$I_{{\Bbb H}}$是$B({\Bbb H})$上的恒等算子, ${\rm vec}(I_{{\Bbb H}})\in {\Bbb H}\otimes {\Bbb H}$是最大纠缠态, 即${\rm vec}(I_{{\Bbb H}})=\sum_{k}|k\rangle|k\rangle, \{|k\rangle\}$为${\Bbb H}$上的正规正交基, $A^{T}\in B({\Bbb Y}, {\Bbb X})$为$A$的转置.进一步, 容易验证映射${\rm vec}$满足下面三个性质:
(ⅰ) $(A_{1}\otimes A_{2}){\rm vec}(X)={\rm vec}(A_{1}XA_{2}^{T}), $$\forall A_{1}\in B({\Bbb X}_{1}, {\Bbb Y}_{1}), A_{2}\in B({\Bbb X}_2, {\Bbb Y}_2), $$X\in B({\Bbb X}_2, {\Bbb X}_1)$;
(ⅱ) ${\rm Tr}_{{\Bbb X}}({\rm vec}(A_{1}){\rm vec}(A_{2}^{\dagger}))=A_{1}A_{2}^{\dagger}, $$\rm{T}{{\rm{r}}_{\mathbb{Y}}}(\rm{vec}({{\mathit{A}}_{1}})\rm{vec}(\mathit{A}_{2}^{\dagger }))={{(\mathit{A}_{2}^{\dagger }{{\mathit{A}}_{1}})}^{\mathit{T}}}, $$\forall A_{1}, A_{2} \in B({\Bbb X, \Bbb Y})$;
(ⅲ) ${\rm vec}(uv^{\dagger})=u\otimes \overline{v}$, $\forall u\in{\Bbb X}$, $\forall v\in{\Bbb Y}$.特别地, ${\rm vec}(u)=u$, ${\rm vec}(v^{\dagger})=\overline{v}$.
设$\{|i\rangle\}\subset{\Bbb X}$和$\{|m\rangle\}\subset{\Bbb Y}$分别为${\Bbb X}$和${\Bbb Y}$上的正规正交基, $A\in B({\Bbb X})$且$A=\sum_{i, j} \langle i|A|j\rangle|i\rangle\langle j|$, 超算符$\Phi: B({\Bbb X})\rightarrow B({\Bbb Y})$作用在$A$上为$\Phi(A)=\sum_{i, j} \langle i|A|j\rangle\Phi(|i\rangle\langle j|).$则存在线性映射$N_{\Phi}\in B({\Bbb X}\otimes{\Bbb X}, {\Bbb Y}\otimes{\Bbb Y})$满足
这时称$N_{\Phi}$为$\Phi$的自然表示[14].由于
可知
任给一个超算符, 不仅有自然表示, 还存在另一种重要表示.设$\{|i\rangle\}\subset{\Bbb X}$为${\Bbb X}$上的一组正规正交基, $\Phi\in B(B({\Bbb X}), B({\Bbb Y}))$, 定义映射$J_{\Phi}:B(B({\Bbb X}), B({\Bbb Y}))\rightarrow B({\Bbb Y}\otimes{\Bbb X})$为
则称映射$J_{\Phi}$为$\Phi$的Choi-Jamiolkowski表示[14].
注2.2 (2.3) 式也可以写成
Choi-Jamiolkowski表示有个重要的特点是映射$\Phi$可以由算子$J_{\Phi}$通过等式
来恢复.超算符$\Phi$和其Choi-Jamiolkowski表示之间建立的双射是一个同构, 并且满足下面的性质:
(ⅰ) $\Phi$是保迹映射当且仅当${\rm tr}_{{\Bbb Y}}(J_{\Phi})=I_{{\Bbb X}}$;
(ⅱ) $\Phi$是保自伴映射当且仅当$J_{\Phi}$是自伴的;
(ⅲ) $\Phi$是完全正的当且仅当$J_{\Phi}$是半正定的.
设$\Phi\in B(B({\Bbb X}))$是一个超算符, 则$N_{\Phi}\in B({\Bbb X}\otimes{\Bbb X}), J_{\Phi}\in B({\Bbb X}\otimes{\Bbb X})$.一般地, $N_{\Phi}\neq J_{\Phi}$, 但它们之间存在一个重要的关系.
首先, 定义一个超算符$T:B({\Bbb X}\otimes{\Bbb X})\rightarrow B({\Bbb X}\otimes{\Bbb X})$为
其中$E_{ij}=|i\rangle\langle j|, \{|i\rangle\}\subset{\Bbb X}$为${\Bbb X}$上的一组正规正交基.设$A, B, C, D\in B({\Bbb X}\otimes{\Bbb X}), $则
不难计算,超算符$T$满足下面的结论:
(ⅰ) $T$是一个线性双射, 即
(ⅱ) $T^{2}=I$且$T^{-1}=T$, 因为$T^{2}(S)=\sum_{i}(I_{{\Bbb X}}\otimes E_{ii})S(E_{ii}\otimes I_{{\Bbb X}})=S$.
(ⅲ) ${\rm vec}(T(X\otimes Y))={\rm vec}(X)\otimes{\rm vec}(Y), $$ \forall X, Y\in B({\Bbb X})$, 因为
(ⅳ)令$K=\sum_{i, j}E_{ij}\otimes E_{ji}$, 则$\forall X, Y\in B({\Bbb X})$,
定理3.1 设$N_{\Phi}$与$J_{\Phi}$分别为$\Phi\in B(B({\Bbb X}))$的自然表示和${\rm Choi}$-${\rm Jamiolkowski}$表示, 则
证 根据$N_{\Phi}$与$J_{\Phi}$的形式如等式(2.3) 和(2.4) 所示, 计算(3.2) 式的右边, 得
因而, 等式(3.2) 成立.
注3.1 一般情况下, 设$\{|i\rangle\}\subset{\Bbb X}$和$\{|m\rangle\}\subset{\Bbb Y}$分别为${\Bbb X}$和${\Bbb Y}$上的正规正交基.定义线性映射
作用在基底上为
那么$\forall \Phi\in B(B({\Bbb X}), B({\Bbb Y}))$, 有
例3.1 设$\Phi_H$为一个乘法算子, $\forall \rho \in D({\Bbb C}^2)$, $\Phi_H(\rho)=H\rho$, 其中$H\in B({\Bbb C}^2)$, 则
证 令$H=\left[\begin{array}{cc} h_1~&h_2 \\ h_3 ~& h_4 \\ \end{array} \right]$.因为
和
所以$T(J_{\Phi_H})=R_{\Phi_H}$.
例3.2 设$\Phi$为一个酉量子信道, $\Phi(\rho)=U\rho U^{\dagger}, \forall \rho \in D({\Bbb C}^2), $其中$U$为酉算子, 则
证 令$U=\left[\begin{array}{cc} u_{11} ~& u_{12} \\ u_{21} ~& u_{22} \\ \end{array} \right]$.因为
所以
证毕.
注3.2 设$\Phi$为${\rm 1}$比特量子系统中的酉量子信道, 则$N_{\Phi}\neq J_{\Phi}$.
证 假设存在一个酉量子信道$\Phi$满足$N_{\Phi}= J_{\Phi}$, 则$U\otimes \overline{U}={\rm vec}(U){\rm vec}(U)^{\dagger}$.令
则有
由酉算子的性质知
这个方程组无解, 那么$U\otimes \overline{U}\neq{\rm vec}(U){\rm vec}(U)^{\dagger}$, 因而, $N_{\Phi}\neq J_{\Phi}$.
例3.3 设超算符$\Phi$是一个量子运算, 其Kraus表示为
其中$E_j\in B({\Bbb X}, {\Bbb Y})$满足$\sum_{j=1}^{m}{E_j^\dagger E_j}=I_{{\Bbb X}}$, 且称为$\Phi$的Kraus算子.
进一步, 形如等式(3.3) 的量子运算$\Phi$, 其自然表示和Choi-Jamiolkowski表示分别为
根据算子$T$的性质(ⅱ)和(ⅲ), 有