Papers
Topics
Authors
Recent
Assistant
AI Research Assistant
Well-researched responses based on relevant abstracts and paper content.
Custom Instructions Pro
Preferences or requirements that you'd like Emergent Mind to consider when generating responses.
Gemini 2.5 Flash
Gemini 2.5 Flash 77 tok/s
Gemini 2.5 Pro 56 tok/s Pro
GPT-5 Medium 34 tok/s Pro
GPT-5 High 35 tok/s Pro
GPT-4o 103 tok/s Pro
Kimi K2 208 tok/s Pro
GPT OSS 120B 462 tok/s Pro
Claude Sonnet 4.5 36 tok/s Pro
2000 character limit reached

Continuous-variable quantum state designs: theory and applications (2211.05127v3)

Published 9 Nov 2022 in quant-ph, math-ph, math.MP, and physics.optics

Abstract: We generalize the notion of quantum state designs to infinite-dimensional spaces. We first prove that, under the definition of continuous-variable (CV) state $t$-designs from Comm. Math. Phys. 326, 755 (2014), no state designs exist for $t\geq2$. Similarly, we prove that no CV unitary $t$-designs exist for $t\geq 2$. We propose an alternative definition for CV state designs, which we call rigged $t$-designs, and provide explicit constructions for $t=2$. As an application of rigged designs, we develop a design-based shadow-tomography protocol for CV states. Using energy-constrained versions of rigged designs, we define an average fidelity for CV quantum channels and relate this fidelity to the CV entanglement fidelity. As an additional result of independent interest, we establish a connection between torus $2$-designs and complete sets of mutually unbiased bases.

Definition Search Book Streamline Icon: https://streamlinehq.com
References (104)
  1. C. F. Gauss, in Werke (Cambridge University Press, 1866) pp. 165–196.
  2. P. Delsarte, J. M. Goethals, and J. J. Seidel, Geometriae Dedicata 6, 363 (1977).
  3. R. H. Hardin and N. J. A. Sloane, Discrete & Computational Geometry 15, 429 (1996).
  4. A. H. Stroud, Approximate Calculation of Multiple Integrals (Prentice-Hall, 1971).
  5. R. Cools, Acta Numerica 6, 1 (1997).
  6. P. C. Hammer and A. H. Stroud, Mathematical tables and other aids to computation 10, 137 (1956).
  7. M. S. Baladram, Interdisciplinary Information Sciences 24, 181 (2018).
  8. G. Kuperberg, arXiv:math/0405366  (2004a).
  9. G. Kuperberg, arXiv:math/0402047  (2004b).
  10. N. Victoir, SIAM Journal on Numerical Analysis 42, 209 (2004), https://doi.org/10.1137/S0036142902407952 .
  11. P. D. Seymour and T. Zaslavsky, Advances in Mathematics 52, 213 (1984).
  12. S. G. Hoggar, European Journal of Combinatorics 3, 233 (1982).
  13. S. G. Hoggar, European Journal of Combinatorics 5, 29 (1984).
  14. W. K. Wootters and B. D. Fields, Annals of Physics 191, 363 (1989a).
  15. A. Klappenecker and M. Rotteler, in Proceedings. International Symposium on Information Theory, 2005. ISIT 2005. (IEEE, 2005) pp. 1740–1744.
  16. C. Dankert, Efficient simulation of random quantum states and operators (2005), 0512217 [quant-ph] .
  17. A. J. Scott, Journal of Physics A: Mathematical and General 39, 13507 (2006).
  18. A. Ambainis and J. Emerson, in Twenty-Second Annual IEEE Conference on Computational Complexity (CCC’07) (IEEE, 2007) pp. 129–140.
  19. D. A. Roberts and B. Yoshida, Journal of High Energy Physics 2017, 121 (2017).
  20. R. Kueng and D. Gross, arXiv preprint arXiv:1510.02767  (2015), arXiv:1510.02767 .
  21. S. J. van Enk and C. W. J. Beenakker, Phys. Rev. Lett. 108, 110503 (2012).
  22. H.-Y. Huang, R. Kueng, and J. Preskill, Nature Physics 16, 1050 (2020).
  23. A. Acharya, S. Saha, and A. M. Sengupta, arXiv  (2021a), arXiv:2105.05992 .
  24. R. Kueng, H. Zhu, and D. Gross, arXiv preprint arXiv:1609.08595  (2016).
  25. J. Emerson, R. Alicki, and K. Życzkowski, Journal of Optics B: Quantum and Semiclassical Optics 7, S347 (2005).
  26. E. Magesan, J. M. Gambetta, and J. Emerson, Phys. Rev. Lett. 106, 180504 (2011a).
  27. M. A. Nielsen, arXiv 10.48550/arxiv.quant-ph/9606012 (1996).
  28. M. Horodecki, P. Horodecki, and R. Horodecki, Physical Review A 60, 1888 (1999).
  29. M. A. Nielsen, Physics Letters A 303, 249 (2002).
  30. E. Magesan, R. Blume-Kohout, and J. Emerson, Physical Review A 84, 012309 (2011b).
  31. S. Kimmel and Y.-K. Liu, in 2017 International Conference on Sampling Theory and Applications (SampTA) (IEEE, 2017) pp. 345–349.
  32. Y. Sekino and L. Susskind, Journal of High Energy Physics 2008, 065 (2008).
  33. P. Hayden and J. Preskill, Journal of high energy physics 2007, 120 (2007).
  34. Y. Wu and S. Verdu, in 2010 48th Annu. Allert. Conf. Commun. Control. Comput. (IEEE, 2010) pp. 620–628.
  35. F. Lacerda, J. M. Renes, and V. B. Scholz, 2016 IEEE Int. Symp. Inf. Theory , 2499 (2016).
  36. F. Lacerda, J. M. Renes, and V. B. Scholz, Phys. Rev. A 95, 062343 (2017), arXiv:1603.05970 .
  37. R. Blume-Kohout and P. S. Turner, Communications in Mathematical Physics 326, 755 (2014).
  38. Z. Webb, The Clifford group forms a unitary 3-design (2016), arXiv:1510.02769 [quant-ph] .
  39. H. Zhu, Physical Review A 96, 062336 (2017).
  40. M. A. Graydon, J. Skanes-Norman, and J. J. Wallman, Clifford groups are not always 2-designs (2021), arXiv:2108.04200 [quant-ph] .
  41. L. Susskind and J. Glogower, Physics Physique Fizika 1, 49 (1964).
  42. P. Carruthers and M. M. Nieto, Reviews of Modern Physics 40, 411 (1968).
  43. C. W. Helstrom, Journal of Statistical Physics 1, 231 (1969).
  44. J. Bergou and B.-G. Englert, Annals of Physics 209, 479 (1991).
  45. P. M. Mathews and K. Eswaran, Il Nuovo Cimento B (1971-1996) 19, 99 (1974).
  46. J. H. Shapiro and S. R. Shepard, Physical Review A 43, 3795 (1991).
  47. A. Holevo, Probabilistic and Statistical Aspects of Quantum Theory (Edizioni della Normale, Pisa, 2011).
  48. S. M. Girvin, Quantum machines: measurement and control of engineered quantum systems , 113 (2014).
  49. H. M. Wiseman, Phys. Rev. Lett. 75, 4587 (1995).
  50. M. Elliott, J. Joo, and E. Ginossar, New Journal of Physics 20, 023037 (2018).
  51. A. J. Scott, Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical 41, 055308 (2008).
  52. D. Gottesman, A. Yu. Kitaev, and J. Preskill, Phys. Rev. A 64, 012310 (2001).
  53. V. V. Albert, J. P. Covey, and J. Preskill, Physical Review X 10, 031050 (2020), arXiv:1911.00099 .
  54. N. C. Menicucci, Phys. Rev. Lett. 112, 120504 (2014).
  55. A. Winter, Communications in Mathematical Physics 347, 291 (2016).
  56. A. Winter, arXiv preprint arXiv:1712.10267  (2017).
  57. M. E. Shirokov, Problems of Information Transmission 54, 20 (2018).
  58. E. Culf, T. Vidick, and V. V. Albert (2022), to appear.
  59. S. L. Braunstein, C. A. Fuchs, and H. J. Kimble, Journal of Modern Optics 47, 267 (2000).
  60. R. Namiki, M. Koashi, and N. Imoto, Physical review letters 101, 100502 (2008).
  61. A. I. Lvovsky and M. G. Raymer, Rev. Mod. Phys. 81, 299 (2009a).
  62. G. Chiribella and J. Xie, Physical review letters 110, 213602 (2013).
  63. G. Bai and G. Chiribella, Physical Review Letters 120, 150502 (2018).
  64. Y.-D. Wu and B. C. Sanders, New Journal of Physics 21, 073026 (2019).
  65. K. Sharma, B. C. Sanders, and M. M. Wilde, Physical Review Research 4, 023066 (2022).
  66. K. Sharma and M. M. Wilde, Physical Review Research 2, 013126 (2020).
  67. S. Becker and N. Datta, Communications in Mathematical Physics 374, 823 (2020).
  68. L. Lami, Physical Review A 104, 052428 (2021).
  69. H. K. Mishra, S. K. Oskouei, and M. M. Wilde, arXiv preprint arXiv:2210.05007  (2022).
  70. A. Serafini, Quantum Continuous Variables: A Primer of Theoretical Methods (CRC Press, 2017).
  71. I. Bengtsson and K. Życzkowski, Geometry of quantum states: an introduction to quantum entanglement, reprinted with corr ed. (Cambridge University Press, Cambridge, 2008).
  72. A. W. Harrow, arXiv:1308.6595 [quant-ph]  (2013).
  73. B. R. Hunt, T. Sauer, and J. A. Yorke, Bulletin of the American Mathematical Society 27, 217 (1992).
  74. R. Grigorchuk and P. de la Harpe, Amenability and ergodic properties of topological groups: From Bogolyubov onwards (2015), arXiv:1404.7030 [math] .
  75. J. Becnel and A. Sengupta, Mathematics 3, 527 (2015).
  76. W. Rudin, Functional analysis, 2nd ed., International series in pure and applied mathematics (McGraw-Hill, New York, 1991).
  77. F. Gieres, Reports on Progress in Physics 63, 1893 (2000).
  78. R. d. l. Madrid, European Journal of Physics 26, 287 (2005).
  79. V. V. Dodonov, Journal of Optics B: Quantum and Semiclassical Optics 4, R1 (2002).
  80. A. Acharya, S. Saha, and A. M. Sengupta, Informationally complete POVM-based shadow tomography (2021b), arXiv:2105.05992 [quant-ph] .
  81. A. I. Lvovsky and M. G. Raymer, Rev. Mod. Phys. 81, 299 (2009b).
  82. J. Hou and X. Qi, Physical Review A 81, 062351 (2010).
  83. J. S. Ivan, K. K. Sabapathy, and R. Simon, Physical Review A 84, 042311 (2011).
  84. M. G. Paris, Physics Letters A 217, 78 (1996).
  85. R. Nair, Phys. Rev. Lett. 121, 230801 (2018).
  86. M. A. Nielsen and I. L. Chuang, Quantum computation and quantum information, 10th ed. (Cambridge University Press, Cambridge ; New York, 2010).
  87. R. H. Cameron, Duke Mathematical Journal 18, 10.1215/S0012-7094-51-01810-8 (1951).
  88. I. M. Gel’fand and A. M. Yaglom, Journal of Mathematical Physics 1, 48 (1960).
  89. S. G. Brush, Reviews of Modern Physics 33, 79 (1961).
  90. A. G. Konheim and W. L. Miranker, Mathematics of Computation 21, 49 (1967).
  91. H. L. Royden and P. Fitzpatrick, Real analysis, Vol. 32 (Pearson, 1988).
  92. J. P. Grossmann, Measure Theory YouTube playlist (2019).
  93. S. Sternberg, Group Theory and Physics, transferred to digital printing ed. (Cambridge Univ. Press, Cambridge, 2003).
  94. W. van Dam and A. Russell, arXiv:1109.0060 [quant-ph]  (2011).
  95. W. K. Wootters and B. D. Fields, Annals of Physics 191, 363 (1989b).
  96. A. Grundmann and H.-M. Möller, SIAM Journal on Numerical Analysis 15, 282 (1978).
  97. J. Benedetto and W. Czaja, Integration and Modern Analysis, Birkhäuser Advanced Texts (Birkhäuser, Boston, 2009).
  98. B. Simon, Journal of Mathematical Physics 12, 140 (1971).
  99. A. Lundari, M. Miranda, and D. Pallara, https://www.mathematik.tu-darmstadt.de/media/analysis/lehrmaterial_anapde/hallerd/Lectures.pdf  (2015).
  100. D. L. Cohn, Measure Theory, second edition ed., Birkhäuser Advanced Texts (Birkhäuser, Boston, 2013).
  101. D. A. Varshalovich, A. N. Moskalev, and V. K. Khersonskii, Quantum Theory of Angular Momentum (World Scientific, 1988).
  102. K. Temme, S. Bravyi, and J. M. Gambetta, Physical Review Letters 119, 180509 (2017).
  103. R. Cools and I. H. Sloan, Mathematics of Computation 65, 1583 (1996).
  104. A. Roy and A. J. Scott, Journal of Mathematical Physics 48, 072110 (2007), arXiv:quant-ph/0703025 .
Citations (11)

Summary

We haven't generated a summary for this paper yet.

Lightbulb Streamline Icon: https://streamlinehq.com

Continue Learning

We haven't generated follow-up questions for this paper yet.

List To Do Tasks Checklist Streamline Icon: https://streamlinehq.com

Collections

Sign up for free to add this paper to one or more collections.

X Twitter Logo Streamline Icon: https://streamlinehq.com

Tweets

This paper has been mentioned in 1 post and received 0 likes.