論文の概要: Power and limitations of distributed quantum state purification

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2509.08691v1
• Date: Wed, 10 Sep 2025 15:33:18 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-09-11 15:16:52.474946
• Title: Power and limitations of distributed quantum state purification
• Title（参考訳）: 分散量子状態浄化のパワーと限界
• Authors: Benchi Zhao, Yu-Ao Chen, Xuanqiang Zhao, Chengkai Zhu, Giulio Chiribella, Xin Wang,
• Abstract要約: 量子状態浄化は、不完全なデバイスによる量子通信と計算に応用されている。 局所的な演算と古典的通信の下で分散量子状態の浄化を体系的に研究する。 単一状態の浄化は達成可能であることを示し、個別の目標状態に対して明示的な分析LOCCプロトコルを提供する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 8.17540482298122
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Quantum state purification, which mitigates noise by exploiting multiple noisy copies of unknown states, has applications in quantum communication and computation with imperfect devices. Despite its importance, the fundamental capabilities and limitations of purification in distributed quantum systems remain largely unexplored. Here, we systematically study distributed quantum state purification under local operations and classical communication (LOCC). We prove that no nontrivial two-to-one LOCC purification protocol exists for three fundamental sets: all pure states, all maximally entangled states, and the four Bell states. This no-go theorem demonstrates that no LOCC protocol can reduce noise for every state within these sets, even probabilistically. In stark contrast, we show that single-state purification is achievable, and we provide an explicit analytical LOCC protocol for individual target states. For arbitrary state sets, we develop an optimization-based algorithm that systematically designs LOCC purification protocols, demonstrating its efficacy through concrete examples. These results delineate the fundamental boundaries of LOCC-based purification and provide practical strategies for noise reduction in distributed quantum information processing.
• Abstract（参考訳）: 未知状態の複数のノイズコピーを利用してノイズを緩和する量子状態浄化は、不完全なデバイスによる量子通信や計算に応用されている。 その重要性にもかかわらず、分散量子系における浄化の基本的な能力と限界はほとんど未解明のままである。 本稿では,局所的な演算と古典的通信(LOCC)の下で分散量子状態の浄化を系統的に研究する。 非自明な2対1のLOCC浄化プロトコルは、すべての純状態、すべての最大絡み合った状態、および4つのベル状態の3つの基本集合に対して存在しないことを証明している。 このノーゴー定理は、LOCCプロトコルがこれらの集合内の全ての状態、あるいは確率的にノイズを低減できないことを証明している。 対照的に、単一状態の浄化は達成可能であることを示し、個別の目標状態に対して明確な分析LOCCプロトコルを提供する。 任意の状態集合に対して、LOCC浄化プロトコルを体系的に設計し、具体的な例を通してその有効性を実証する最適化ベースのアルゴリズムを開発する。 これらの結果は,LOCCに基づく浄化の基礎的境界を明確にし,分散量子情報処理におけるノイズ低減のための実用的な戦略を提供する。

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