Explicación de por qué funciona esta derivación de la descomposición de Schmidt

Estoy siguiendo las notas de Preskill y deriva la descomposición de Schmidt de la siguiente manera:

Sea un estado bipartito ψ A B = i , j λ i j | i | j = i | i | i ~ , donde simplemente elijo j λ i j | j = | i ~ .

Elijo un conjunto de vectores base. | i tal que el estado parcial es diagonal, es decir ρ A = i pag i | i i | . Pero también puedo obtener ρ A = T r B ( ρ A B ) = T r B i , j | i j | | i ~ j ~ | = i j j ~ | i ~ | i j | . La última parte se puede calcular escribiendo explícitamente la traza sobre B y usando las propiedades de una base ortonormal.

Así, tenemos ρ A = i pag i | i i | = i j j ~ | i ~ | i j | . Eso es j ~ | i ~ = pag i d i j . De repente, el | i ~ son todos ortogonales entre sí.

¿Por qué elegir la base donde ρ A es diagonal también te da vectores ortogonales en B ? Esto pareció caer del cielo para mí, aunque las matemáticas son claras. ¿Cuál es el significado físico de esto?

Respuestas (2)

Partamos de la descomposición de Schmidt | ψ = s i | a i | b i .

Ahora considere el estado reducido de A : ρ A = s i 2 | a i a i | . Esto es, ¡la base propia de A es exactamente la base que necesita para la descomposición de Schmidt!

Por lo tanto, si escribe su estado usando esa base propia de Alice,

| ψ = i | a i ( j λ i j | j )   ,
la parte | b ~ i = j λ i j | j debe ser igual a s i | b i , ya que la descomposición de Schmidt es única (degeneraciones de módulo).

¿Por qué elegir la base donde ρ A es diagonal también te da vectores ortogonales en B ?

La respuesta está en la prueba que se muestra en la pregunta. Lo escribiré aquí de una manera ligeramente diferente para tratar de ayudar a resaltar lo que está sucediendo:

Supongamos que el estado

(1) ψ A B = norte | A norte | B norte
es tal que el estado reducido
(2) ρ A = Rastro B ( ψ A B )
es diagonal en el A norte base. Más explícitamente, el estado reducido se define por
(3) ρ A = k ( norte | A norte B ^ k | B norte ) ( metro B metro | B ^ k A metro | )
donde los vectores | B ^ k son ortonormales por definición (porque los estamos usando para calcular la traza). Esto implica
(4) ρ A = norte , metro | A norte B metro | B norte A metro | .
Asumimos que ρ A es diagonal en el A norte base, y los términos en la suma en (4) son todos linealmente independientes, esto solo es posible si el coeficiente de cada término individual fuera de la diagonal es cero:
B metro | B norte = 0.
Por lo tanto, la ecuación (1) está en forma de Schmidt.

Lo siento, tal vez mi pregunta debería haber sido más clara, pero entendí que hay una opción de base única para A (a diferencia de la base arbitraria de A ) que me da vectores ortogonales en B . Simplemente no veo por qué esta elección particular de base que diagonaliza ρ A también es capaz de dar vectores ortogonales en B . ¿Cuál es la conexión entre diagonalizar ρ A y obtener la descripción de Schmidt para ρ A B ?
@ user1936752 Reemplacé mi respuesta con una que intenta aclarar esta conexión, aunque es solo una reescritura de la prueba original. El punto es que si observamos la ecuación (3) y asumimos que los términos fuera de la diagonal son cero (que es lo que estamos diciendo cuando decimos que ρ A es diagonal en el A norte base ), la conclusión de que el B norte son ortogonales sigue inmediatamente. No diría que esto tiene ningún "significado físico"; es sólo una identidad matemática.
Muy bien, gracias de todos modos por escribirlo! Dejaré la pregunta abierta por un momento para ver si alguien más tiene alguna intuición de por qué esto funciona más allá de la prueba matemática.