Áreas matemáticamente desafiantes en la teoría de la información cuántica y la criptografía cuántica

Soy estudiante de física y estoy pensando en explorar la teoría de la información cuántica. Eché un vistazo a algunos libros en la biblioteca de mi universidad. ¿Qué área en QIT es matemáticamente más desafiante y rigurosa? Por lo que vi en los libros, la mayoría de los temas eran solo álgebra lineal simple. Estoy buscando un área que sea matemáticamente más rica y que use quizás más conceptos de informática teórica, teoría de números, matemáticas discretas, álgebra, etc. La criptografía clásica es un área en la interfaz de matemáticas y TCS que usa muchas áreas de matemáticas como como teoría de números, álgebra, curvas elípticas. ¿La criptografía cuántica también es rica en matemáticas? ¿Cuáles son los requisitos previos? Si no, ¿podría sugerir algunas áreas en las que soy matemáticamente rico en QIT?

Solo para comenzar, creo que la idea de que el tema no tiene matemáticas ricas podría ser un engaño debido al hecho de que a menudo estás viendo espacios de Hilber con una base pequeña. Cuando pienso en el tema, pienso en graduados que trabajan en abstrusas construcciones algebraicas de operadores minimalistas con las medidas y entropías más extrañas para situaciones complejas enredadas, teoremas de no-go, etc. Como nota al margen, solía bromear diciendo que el nombre de ese artículo contiene todas las palabras clave que aterrorizan a un estudiante de física.
"¿Qué área en QIT es matemáticamente más desafiante y rigurosa?" Solo pregúntese cuál es el área más desafiante y rigurosa de las matemáticas y luego descubra cómo aplicarla a QIT.
@NickKidman: gracias por el comentario. ¿Pero es posible que este artículo sea una excepción? La mayoría de los artículos sobre archivos de preimpresión, y algunos libros, me dan la sensación de que se usa álgebra lineal y tal vez algunas estadísticas. Si no es así, ¿podría darme áreas específicas y libros que me ayuden a entender mejor su comentario?
Mhm, supongo que está todo este asunto del álgebra C*, la construcción Gelfand-Naimark-Segal es una palabra clave. Y los teoremas de no clonación. No estoy muy familiarizado con él, pero sé que no lo encuentro trivial. :)
Si te gustan las cosas más desafiantes matemáticamente, puedes comenzar aquí: arxiv.org/abs/1106.1445 . Un artículo de revisión titulado "De la teoría clásica a la cuántica de Shannon" en su mayoría se salta el álgebra lineal y va directamente a la información cuántica rigurosa. Recomendado. Es posible que también desee saber que el entrelazamiento se considera hoy en día más como uno de los recursos y que otros recursos, como la discordia cuántica, están ganando importancia.
La criptografía cuántica no utiliza los mismos conceptos matemáticos que la criptografía clásica (sin teoría de números). Para el álgebra y la teoría de números, es posible que desee ver el problema del subgrupo oculto o la corrección del error cuántico.
@DanStahlke: ¡Gracias!

Respuestas (2)

Creo que el punto de vista geométrico es superior al algebraico en la teoría cuántica. Muchos de los logros en la comprensión de la teoría cuántica surgieron desde el punto de vista geométrico, por ejemplo, la clasificación de partículas relativistas de Wigner (como representaciones irreducibles del grupo de Poincaré). Además, muchos de los logros de Witten se derivaron de su profundo conocimiento geométrico. De hecho, en sus obras fundamentales aplicó la cuantización geométrica más allá de los límites conocidos por los matemáticos de la época.

Por supuesto, las áreas matemáticas relevantes para esta dirección de investigación incluyen: análisis de variedades, grupos de Lie, haces de fibras, geometría simpléctica, cuantización geométrica, etc.

En el caso especial de QIT, es cierto que la corriente principal sigue el punto de vista algebraico, pero déjame referirte a trabajos que adoptan el punto de vista geométrico. La referencia básica es el libro de Bengtsson y Zyczkowski: Geometría de los estados cuánticos: una introducción al entrelazamiento cuántico . Permítanme también referirles a importantes trabajos más recientes en esta dirección:

Geometría de estados entrelazados por Marek Kus y Karol Zyczkowski.

Geometría simpléctica del entrelazamiento por: Adam Sawicki, Alan Huckleberry, Marek Kus y

Mapas de Segre y entrelazamiento para sistemas multipartitos de partículas indistinguibles por: Janusz Grabowski, Marek Kus, Giuseppe Marmo

Estos artículos incluyen muchas otras referencias sobre el tema, además, muchos de los autores tienen trabajos adicionales.

David, gracias por los enlaces. Definitivamente es algo que me interesará. ¿Tienes algo sobre criptografía cuántica?
Los estados coherentes, muy utilizados en criptografía cuántica, tienen un origen geométrico (espacio de Bargmann). Consulte, por ejemplo, la tesis de Ma: web.williams.edu/go/math/sjmiller/public_html/crypto/handouts/…

Yo argumentaría que, de la miríada de opciones, un área clave de las matemáticas que se volverá cada vez más crítica para los físicos generales en el futuro (y ya es clave en cierta física de vanguardia) es la teoría de categorías . Culturalmente, esto se llama tontería abstracta , lo que ya debería indicar su importancia para la comunidad matemática (habría que ver los ojos de un matemático brillar cuando habla de eso para entender). Se puede encontrar un buen documento que presenta el caso aquí . También es fundamental para comprender los avances en QIT y otros campos.

La otra área es la teoría de la complejidad computacional , donde lo remitiría al zoológico de complejidad para obtener una buena introducción. La física y la teoría computacional están comenzando a cruzarse de una manera muy real, y la comprensión de la complejidad computacional permitirá un puente hacia la informática, que probablemente será el campo dominante en la ciencia general en los próximos años (si no ya).

Nota: solo un comentario rápido, aunque el documento vinculado implicaba una conexión con la gravedad cuántica de bucles en el contexto de la gravedad cuántica, la teoría de categorías también se vincula con la teoría de cuerdas de una manera más física. Lo remitiría al sitio web de nLab para obtener más información sobre la teoría de categorías y la física. Ver también

Gracias por la buena respuesta. Ciertamente no lo sabía, la teoría de categorías tenía uso en física y ciertamente no en QIT. ¿Sabes algo sobre criptografía cuántica? Me resulta difícil encontrar buenos recursos en Internet al respecto.
Lo siento, solo sé lo que puedo leer en la web también.