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Detection of bipartite quantum correlations by local generalized measurements

Schumacher, Maximilian (2024)
Detection of bipartite quantum correlations by local generalized measurements.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00026913
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Detection of bipartite quantum correlations by local generalized measurements
Language: English
Referees: Alber, Prof. Dr. Gernot ; Giese, Prof. Dr. Enno
Date: 15 April 2024
Place of Publication: Darmstadt
Collation: viii, 139 Seiten
Date of oral examination: 29 January 2024
DOI: 10.26083/tuprints-00026913
Abstract:

Driven by the need for efficient local entanglement detection for quantum information processing applications, this dissertation investigates sufficient conditions for arbitrary-dimensional local bipartite entanglement detection based on correlation matrices and joint probability distributions. Furthermore, the detection of quantum correlations can also be used to verify Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) steerable quantum states from Alice to Bob. In particular, different classes of local informationally complete measurements are explored to determine the detection efficiency of entanglement and EPR steering. These local measurements are specialized to the recently introduced one-parameter class of (N,M)-positive operator valued measures ((N,M)-POVMs). The first part of this thesis discusses necessary or sufficient conditions for the existence of (N,M)-POVMs in arbitrary dimensional quantum systems. A sufficient condition for the existence of (N,M)-POVMs is derived, which guarantees that all POVM elements are positive semidefinite for the continuous parameters below an upper bound. Furthermore, the existence of isospectral traceless Hermitian operator bases (IHOBs) is necessary for the existence of optimal (N,M)-POVMs. When the number of measurement results M of a POVM is less than or equal to the dimension of the quantum system, a commutator relation of the basis elements constructed from a single POVM can be used to extend the necessary condition to a sufficient one. In these cases, optimal (N,M)-POVMs are necessarily projection operators of equal rank. The second part of this dissertation utilizes local informationally complete (N,M)-POVMs to detect bipartite entanglement. It is demonstrated that the symmetries of (N,M)-POVMsimply a characteristic scaling relation connecting equivalent sufficient entanglement conditions. Based on the scaling relation, the efficiency of different measurement settings can be investigated quantitatively. Furthermore, the Euclidean volume ratios between entangled and all quantum states are computed numerically using a hit-and-run Monte Carlo algorithm. The numerical results show that the physically feasible local (N,M)-POVMs are sufficient for entanglement detection. In particular, optimal (N,M)-POVMs are not needed for entanglement detection. The final part of this dissertation discusses the verification of EPR steerability by local informationally complete (N,M)-POVMs. Another application of the scaling relation is to identify the efficiency of the correlation matrix-based sufficient condition for EPR steerability of local informationally complete (N,M)-POVMs. The Euclidean volume ratios of the EPR steerable states quantify the efficiency of the correlation matrix-based sufficient condition. Except for the two-qubit case, the numerical results demonstrate that the Euclidean volume ratios significantly underestimate the EPR steerable quantum states. Moreover, these results are compared to a recently proposed sufficient condition that determines the steerability from Alice to Bob by detecting the entanglement of a transformed quantum state. The numerical results demonstrate that this method is significantly more efficient. However, it is only valid if Alice’s quantum system is a qubit.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Die Detektion von Verschränkung durch lokale Messungen zweier möglicher räumlich getrennter Beobachter ist für Anwendungen in der Quanteninformationsverarbeitung von großer Bedeutung. Aus diesem Grund wird in dieser Dissertation die Verschränkungsdetektion durch Spurnormen von Korrelationsmatrizen und gemeinsame Wahrscheinlichkeitsverteilungen von lokalen verallgemeinerten Quantenmessungen diskutiert. Darüber hinaus eignen sich die Korrelationsmatrizen auch für die Detektion von Einstein-Poldolsky-Rosen (EPR) Steering. Es wird insbesondere der Einfluss lokaler Messungen auf die detektierten Quantenkorrelationen untersucht. Die lokalen Messungen sind auf die kürzlich eingeführten (N,M)-Positive Operator Value Measures ((N,M)-POVMs) spezialisiert. Der erste Teil dieser Dissertation befasst sich mit der Existenz von (N,M)-POVMs in beliebig dimensionalen Quantensystemen. Zunächst wird eine hinreichende Bedingung hergeleitet, für welche kontinuierliche Parameter (N,M)-POVMs immer existieren und somit garantiert ist, dass alle POVM-Elemente positiv semidefinit sind. Weiterhin werden notwendige Bedingungen für die Existenz optimaler (N,M)-POVMs hergeleitet. Diese zeigen den Zusammenhang zwischen isospektralen, hermiteschen, spurlosen, orthonormalen Operatorbasen (IHOBs) und optimalen (N,M)-POVMs. Optimale (N,M)-POVMs können nur existieren, wenn eine solche Basis existiert. Wenn die Anzahl der Messergebnisse eines POVMs M kleiner als die Dimension des Quantensystems d ist, wird diese notwendige Bedingung zu einer hinreichenden Bedingung, indem eine Kommutatorrelation zwischen Basiselementen eines POVMs berücksichtigt wird. In diesem Fall handelt es sich bei den Elementen der POVMs um Projektionen gleichen Ranges. Im zweiten Teil der Arbeit werden lokale (N,M)-POVMs zur Verschränkungsdetektion verwendet. Weiterhin wird gezeigt, dass aus den Symmetrien der (N,M)-POVMs eine Skalierungseigenschaft für die Verschränkungsdetektion abgeleitet werden kann, die verschiedene äquivalente hinreichende Bedingungen miteinander verknüpft. Mithilfe dieser Skalierungseigenschaft kann die Effizienz der Verschränkungsdetektion bestimmt werden, ohne die zugehörigen (N,M)-POVMs konstruieren zu müssen. Ein Hit-and-Run Monte-Carlo-Algorithmus wird verwendet, um die Effizienz der hinreichenden Bedingungen durch euklidische Volumenverhältnisse der verschränkten Zustände zu allen Zuständen zu bestimmen. Diese Volumenverhältnisse besagen, dass konstruierbare lokale (N,M )-POVMs für die Verschränkungsdetektion ausreichend sind. Im Gegensatz dazu sind optimale (N,M)-POVMs für die Verschränkungsdetektion nicht erforderlich. Im dritten Teil der Arbeit werden Korrelationsmatrizen lokaler (N,M)-POVMs verwendet, um EPR steerbare Quantenzustände zu detektieren. Mit dem Hit-and-Run Monte-Carlo-Algorithmus können auch die euklidischen Volumenverhältnisse der von Alice nach Bob steerbaren Quantenzustände bestimmt werden. Mit Ausnahme des Zwei-Qubit-Systems werden die euklidischen Volumenverhältnisse durch die hinreichende Bedingung fast vollständig unterschätzt. Daher wird die hinreichende Bedingung für EPR Steering von Alice nach Bob durch Verschränkungsdetektion verwendet, um die steerbaren Zustände zu detektieren. Numerische Ergebnisse zeigen, dass diese Methode wesentlich effizienter ist als die auf Korrelationsmatrizen basierende Methode. Allerdings kann diese Methode nur angewendet werden, wenn Alice ein Qubit als lokales Quantensystem besitzt.

German
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-269136
Classification DDC: 500 Science and mathematics > 530 Physics
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Applied Physics > Theoretical Quantum Physics Group
Date Deposited: 15 Apr 2024 12:04
Last Modified: 16 Apr 2024 06:49
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/26913
PPN: 517158477
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