第 24 课 · 不可克隆与量子密钥分发——量子信息的守护者与物理定律背书的保密通信 · 模块四:应用与前沿专题

推广到一般量子操作:CPTP 信道也逃不掉

  • 命题框:保真度单调性 $F(\mathcal{E}(\rho), \mathcal{E}(\sigma)) \ge F(\rho, \sigma)$——CPTP 映射 $\mathcal{E}$(含测量、辅助系统、失败后弃用)丢弃环境只会让保真度增大或不减;纯态间 $F(|\psi\rangle,|\phi\rangle) = |\langle\psi|\phi\rangle|$
  • 推导步骤:
    1. Stinespring 表示:$\mathcal{E}(\rho) = \mathrm{Tr}_{\mathrm{env}}[U(\rho \otimes |e_0\rangle\langle e_0|)U^\dagger]$——任何信道 = 更大空间上的酉 + 环境初态 + 部分迹
    2. 克隆要求输出两份拷贝:输出端保真度 $|\langle\psi\psi|\phi\phi\rangle| = |\langle\psi|\phi\rangle|^2 = |c|^2$,输入端为 $|c|$——克隆要求 $|c| \to |c|^2$
    3. 代入数值:$c = 1/\sqrt{2} \Rightarrow |c| \approx 0.707$ → $|c|^2 = 0.5$,严格减小
    4. 与单调性(保真度不许减小)矛盾 $\Rightarrow$ 不存在能克隆非正交纯态的 CPTP 信道
  • 结果框:对一切 $0<|c|<1$ 均矛盾——含测量、含辅助、允许失败弃用的任何物理过程都逃不出禁令;封死的是一切物理过程,不是某种设计
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