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出てくるもの(2):2つの系の量子相互情報量と条件付きエントロピー

2026年10月15日11分で読めますAI生成教科書『虎の巻』第3部 第2章 von Neumann エントロピーと量子相対エントロピー
目次
  1. 部分トレースと量子相互情報量
  2. Schmidt 分解と純粋状態の部分系
  3. Araki–Lieb の不等式
  4. 木下の層

AI 生成・木下が未勉強

相対エントロピーから情報と物理を組み立てる 第3部 第2章 §3.2.4 ★★★ 相手を周辺の積に取ると量子相互情報量と劣加法性が出る。純粋状態では部分系のエントロピーが等しく、条件付きエントロピーは負になりうる

部分トレースと量子相互情報量

2つの系 AA、BB からなる系の状態 ρ^AB\hat\rho_{AB} に対し、前の章の部分トレースで ρ^A=Tr⁡Bρ^AB\hat\rho_A=\operatorname{Tr}_B\hat\rho_{AB}、ρ^B=Tr⁡Aρ^AB\hat\rho_B=\operatorname{Tr}_A\hat\rho_{AB} を作る。部分系のエントロピーを S(A)ρ≔S(ρ^A)S(A)_\rho\coloneqq S(\hat\rho_A)、S(B)ρ≔S(ρ^B)S(B)_\rho\coloneqq S(\hat\rho_B)、S(AB)ρ≔S(ρ^AB)S(AB)_\rho\coloneqq S(\hat\rho_{AB}) と書き、状態が明らかなときは添字 ρ\rho を省く。

定義 3.2.8(量子相互情報量・条件付きエントロピー)

I(A;B)ρ≔S(A)+S(B)−S(AB),S(A ∣ B)ρ≔S(AB)−S(B).(3.2.20)I(A;B)_\rho\coloneqq S(A)+S(B)-S(AB),\qquad S(A\,|\,B)_\rho\coloneqq S(AB)-S(B).\tag{3.2.20}

古典の I(X;Y)=D(pXY ∥ pXpY)I(X;Y)=D(p_{XY}\,\|\,p_Xp_Y) に対応して、次が成り立つ。

定理 3.2.9(相互情報量は相対エントロピー ★★★)

I(A;B)ρ=D(ρ^AB ∥ ρ^A⊗ρ^B)≥0,S(A ∣ B)ρ=−D(ρ^AB ∥ 1A⊗ρ^B).(3.2.21)I(A;B)_\rho=D(\hat\rho_{AB}\,\|\,\hat\rho_A\otimes\hat\rho_B)\ge0,\qquad S(A\,|\,B)_\rho=-D(\hat\rho_{AB}\,\|\,\mathbf 1_A\otimes\hat\rho_B).\tag{3.2.21}

特に劣加法性 S(AB)≤S(A)+S(B)S(AB)\le S(A)+S(B) が成り立ち、等号は ρ^AB=ρ^A⊗ρ^B\hat\rho_{AB}=\hat\rho_A\otimes\hat\rho_B のときに限る。また S(A ∣ B)≤ln⁡dAS(A\,|\,B)\le\ln d_A(dAd_A は AA の次元)。

証明

命題 3.2.5(b) の証明と同じく ln⁡(ρ^A⊗ρ^B)=ln⁡ρ^A⊗1B+1A⊗ln⁡ρ^B\ln(\hat\rho_A\otimes\hat\rho_B)=\ln\hat\rho_A\otimes\mathbf 1_B+\mathbf 1_A\otimes\ln\hat\rho_B。部分トレースの定義から Tr⁡ρ^AB(ln⁡ρ^A⊗1B)=Tr⁡ρ^Aln⁡ρ^A=−S(A)\operatorname{Tr}\hat\rho_{AB}(\ln\hat\rho_A\otimes\mathbf 1_B)=\operatorname{Tr}\hat\rho_A\ln\hat\rho_A=-S(A)、同様に BB の項は −S(B)-S(B)。よってD(ρ^AB ∥ ρ^A⊗ρ^B)=−S(AB)+S(A)+S(B)D(\hat\rho_{AB}\,\|\,\hat\rho_A\otimes\hat\rho_B)=-S(AB)+S(A)+S(B)。非負性と等号条件は Klein の不等式から従う。1A⊗ρ^B\mathbf 1_A\otimes\hat\rho_B についても同じ計算で D=−S(AB)+S(B)=−S(A ∣ B)D=-S(AB)+S(B)=-S(A\,|\,B)。Tr⁡(1A⊗ρ^B)=dA\operatorname{Tr}(\mathbf 1_A\otimes\hat\rho_B)=d_A なので、式 (3.2.13) から−S(A ∣ B)≥−ln⁡dA-S(A\,|\,B)\ge-\ln d_A。

古典の条件付きエントロピーは H(X ∣ Y)≥0H(X\,|\,Y)\ge0 だった。量子の S(A ∣ B)S(A\,|\,B) は式 (3.2.21) で DD の符号を反転させたものだが、比べる相手 1A⊗ρ^B\mathbf 1_A\otimes\hat\rho_B のトレースが dAd_A で 11 でないので、Klein の不等式からは上限 ln⁡dA\ln d_A しか出ず、00 以上であることは出てこない。実際、次に見るように S(A ∣ B)S(A\,|\,B) は負になりうる。

Schmidt 分解と純粋状態の部分系

補題 3.2.10(Schmidt 分解)

ABA B の純粋状態 ∣Ψ⟩| \Psi \rangle は、AA の正規直交系 {∣uk⟩}\{| u_k \rangle \} と BB の正規直交系 {∣vk⟩}\{| v_k \rangle \}、正の数 λk\lambda_k(∑kλk=1\sum_k\lambda_k=1)を使って

∣Ψ⟩=∑kλk ∣uk⟩⊗∣vk⟩(3.2.22)| \Psi \rangle =\sum_k\sqrt{\lambda_k}\,| u_k \rangle \otimes| v_k \rangle\tag{3.2.22}

と書くことができる。このとき ρ^A=∑kλk∣uk⟩⟨uk∣\hat\rho_A=\sum_k\lambda_k| u_k \rangle \langle u_k |、ρ^B=∑kλk∣vk⟩⟨vk∣\hat\rho_B=\sum_k\lambda_k| v_k \rangle \langle v_k | で、S(A)=S(B)S(A)=S(B) である。

証明

基底で ∣Ψ⟩=∑a,bcab∣a⟩∣b⟩| \Psi \rangle =\sum_{a,b}c_{ab}| a \rangle | b \rangle と展開し、係数の行列 cc を特異値分解 c=∑kλk u(k)v(k)Tc=\sum_k\sqrt{\lambda_k}\,u^{(k)}v^{(k)\mathsf T}(u(k)u^{(k)}、v(k)v^{(k)} は正規直交な列ベクトル)すると式 (3.2.22) を得る。∑kλk=⟨Ψ∣Ψ⟩=1\sum_k\lambda_k=\langle \Psi | \Psi \rangle =1。Tr⁡B\operatorname{Tr}_B をとると ⟨vk∣vl⟩=δkl\langle v_k | v_l \rangle =\delta_{kl} から ρ^A\hat\rho_A の形が出て、ρ^B\hat\rho_B も同様である。2つは同じ固有値 λk\lambda_k を持つので、エントロピーが等しい。

Schmidt 分解はエンタングルメントを測る基本の道具で、第3部第4章(第3部第4章)で詳しく使う。

純粋状態 ∣Ψ⟩| \Psi \rangle では S(AB)=0S(AB)=0 なので、I(A;B)=2S(A)I(A;B)=2S(A)、S(A ∣ B)=−S(B)=−S(A)S(A\,|\,B)=-S(B)=-S(A) になる。∣Ψ⟩| \Psi \rangle がもつれていれば(積状態でなければ)λk\lambda_k が2つ以上あってS(A)>0S(A)>0 なので、条件付きエントロピーは負である。古典の系では、全体の驚きが部分の驚きより小さくなることはない(H(X,Y)≥H(Y)H(X,Y)\ge H(Y))。量子の系では、全体が純粋状態で驚きが 00 なのに、部分だけを見ると混合状態になり驚きが生じる。S(A ∣ B)<0S(A\,|\,B)<0 はこのことの式の上での表れで、もつれの1つの目印になる。

Araki–Lieb の不等式

定理 3.2.11(Araki–Lieb の不等式 ★★)

∣S(A)−S(B)∣≤S(AB)\lvert S(A)-S(B)\rvert \le S(AB)。したがって −ln⁡dA≤S(A ∣ B)≤ln⁡dA-\ln d_A\le S(A\,|\,B)\le\ln d_A、I(A;B)≤2min⁡{S(A),S(B)}I(A;B)\le2\min\{S(A),S(B)\}。

証明

ρ^AB=∑iμi∣wi⟩⟨wi∣\hat\rho_{AB}=\sum_i\mu_i| w_i \rangle \langle w_i | と固有値分解し、補助の系 CC の正規直交基底 ∣i⟩| i \rangle を使って ∣Ψ⟩ABC=∑iμi∣wi⟩∣i⟩| \Psi \rangle _{ABC}=\sum_i\sqrt{\mu_i}| w_i \rangle | i \rangle を作る。これは Tr⁡C∣Ψ⟩⟨Ψ∣=ρ^AB\operatorname{Tr}_C| \Psi \rangle \langle \Psi |=\hat\rho_{AB} を満たす純粋状態(純粋化)である。補題 3.2.10 を (AB∣C)(AB|C)、(A∣BC)(A|BC)、(B∣AC)(B|AC) の分け方に当てるとS(C)=S(AB)S(C)=S(AB)、S(BC)=S(A)S(BC)=S(A)、S(AC)=S(B)S(AC)=S(B)。BCBC に劣加法性を当てて S(A)=S(BC)≤S(B)+S(C)=S(B)+S(AB)S(A)=S(BC)\le S(B)+S(C)=S(B)+S(AB)。AA と BB を入れ替えると S(B)−S(A)≤S(AB)S(B)-S(A)\le S(AB)。

S(A ∣ B)=S(AB)−S(B)≥−S(A)≥−ln⁡dAS(A\,|\,B)=S(AB)-S(B)\ge-S(A)\ge-\ln d_A。I(A;B)=S(A)+S(B)−S(AB)≤S(A)+S(B)−∣S(A)−S(B)∣=2min⁡{S(A),S(B)}I(A;B)=S(A)+S(B)-S(AB)\le S(A)+S(B)-\lvert S(A)-S(B)\rvert =2\min\{S(A),S(B)\}。

古典では I(X;Y)≤min⁡{H(X),H(Y)}I(X;Y)\le\min\{H(X),H(Y)\} だった。量子の相互情報量はその2倍まで大きくなれる。上限 2ln⁡d2\ln d に達するのは最大にもつれた純粋状態である。この不等式は H. Araki と E. H. Lieb が示した1H. Araki and E. H. Lieb (1970), Communications in Mathematical Physics 18, 160–170。下の脚注へ。

例題 3.2.4 Bell 状態と古典的に相関した状態 ★★★

オリジナル2つの量子ビットの状態

∣Φ+⟩=12(∣00⟩+∣11⟩),ρ^cl=12(∣00⟩⟨00∣+∣11⟩⟨11∣)| \Phi^+ \rangle =\frac{1}{\sqrt2}(| 00 \rangle +| 11 \rangle ),\qquad \hat\rho_{\mathrm{cl}}=\frac12\bigl(| 00 \rangle \langle 00 |+| 11 \rangle \langle 11 |\bigr)

を比べる。

  1. どちらも ρ^A=ρ^B=1/2\hat\rho_A=\hat\rho_B=\mathbf 1/2 であることを示せ。
  2. それぞれの S(AB)S(AB)、I(A;B)I(A;B)、S(A ∣ B)S(A\,|\,B) を求めよ。
  3. ρ^cl=ΔB(∣Φ+⟩⟨Φ+∣)\hat\rho_{\mathrm{cl}}=\Delta_{\mathcal B}(| \Phi^+ \rangle \langle \Phi^+ |)(B\mathcal B は計算基底 {∣00⟩,∣01⟩,∣10⟩,∣11⟩}\{| 00 \rangle ,| 01 \rangle ,| 10 \rangle ,| 11 \rangle \})であることを確かめ、命題 3.2.6 で S(AB)S(AB) の差を説明せよ。
解答

(1) ∣Φ+⟩| \Phi^+ \rangle は Schmidt 分解の形で λ1=λ2=1/2\lambda_1=\lambda_2=1/2 なので、補題 3.2.10 から ρ^A=ρ^B=12(∣0⟩⟨0∣+∣1⟩⟨1∣)=1/2\hat\rho_A=\hat\rho_B=\frac12(| 0 \rangle \langle 0 |+| 1 \rangle \langle 1 |)=\mathbf 1/2。ρ^cl\hat\rho_{\mathrm{cl}} は Tr⁡B\operatorname{Tr}_B をとると 12(∣0⟩⟨0∣+∣1⟩⟨1∣)\frac12(| 0 \rangle \langle 0 |+| 1 \rangle \langle 1 |) で同じである。

(2) ∣Φ+⟩| \Phi^+ \rangle:S(AB)=0S(AB)=0、S(A)=S(B)=ln⁡2S(A)=S(B)=\ln2 から I(A;B)=2ln⁡2=1.3863I(A;B)=2\ln2=1.3863 nat、S(A ∣ B)=−ln⁡2=−0.6931S(A\,|\,B)=-\ln2=-0.6931 nat。ρ^cl\hat\rho_{\mathrm{cl}}:固有値 (1/2,1/2,0,0)(1/2,1/2,0,0) で S(AB)=ln⁡2S(AB)=\ln2、I(A;B)=ln⁡2I(A;B)=\ln2、S(A ∣ B)=0S(A\,|\,B)=0。相互情報量は Bell 状態の方が2倍大きく、Araki–Lieb の上限 2min⁡{S(A),S(B)}=2ln⁡22\min\{S(A),S(B)\}=2\ln2 に達している。条件付きエントロピーは Bell 状態だけが負である。

(3) ∣Φ+⟩⟨Φ+∣=12(∣00⟩⟨00∣+∣00⟩⟨11∣+∣11⟩⟨00∣+∣11⟩⟨11∣)| \Phi^+ \rangle \langle \Phi^+ |=\frac12(| 00 \rangle \langle 00 |+| 00 \rangle \langle 11 |+| 11 \rangle \langle 00 |+| 11 \rangle \langle 11 |) で、計算基底の非対角成分を落とすと ρ^cl\hat\rho_{\mathrm{cl}} になる。命題 3.2.6 から S(ρ^cl)−S(∣Φ+⟩⟨Φ+∣)=D(∣Φ+⟩⟨Φ+∣ ∥ ρ^cl)=ln⁡2S(\hat\rho_{\mathrm{cl}})-S(| \Phi^+ \rangle \langle \Phi^+ |)=D(| \Phi^+ \rangle \langle \Phi^+ |\,\|\,\hat\rho_{\mathrm{cl}})=\ln2。2つの状態の違いは ∣00⟩| 00 \rangle と ∣11⟩| 11 \rangle の間のコヒーレンスだけで、その量が ln⁡2\ln2 であり、それがそのまま S(AB)S(AB)、I(A;B)I(A;B)、S(A ∣ B)S(A\,|\,B) の差になっている。

∣Φ+⟩| \Phi^+ \rangle に完全に混ざった状態を混ぜた ρ^p=p∣Φ+⟩⟨Φ+∣+(1−p)1/4\hat\rho_p=p| \Phi^+ \rangle \langle \Phi^+ |+(1-p)\mathbf 1/4(Werner 状態)では、固有値は (1+3p)/4(1+3p)/4 が1つと (1−p)/4(1-p)/4 が3つで、ρ^A=ρ^B=1/2\hat\rho_A=\hat\rho_B=\mathbf 1/2 は pp によらない。図 3.2.2 のように、S(A ∣ B)S(A\,|\,B) は p≈0.748p\approx0.748 で符号を変える。この状態がもつれているのは p>1/3p>1/3 のときであることが第3部第4章で分かるので、S(A ∣ B)<0S(A\,|\,B)<0 はもつれの十分条件ではあるが必要条件ではない。

図

図 3.2.2 Werner 状態 ρ^p\hat\rho_p のエントロピー(すべて厳密な値)。S(A)=S(B)=ln⁡2S(A)=S(B)=\ln2 は pp によらないので、S(A ∣ B)=S(AB)−ln⁡2S(A\,|\,B)=S(AB)-\ln2、I(A;B)=2ln⁡2−S(AB)I(A;B)=2\ln2-S(AB) になる。S(A ∣ B)S(A\,|\,B) は p=0.748p=0.748 より上で負

1 H. Araki and E. H. Lieb (1970), Communications in Mathematical Physics 18, 160–170。

木下の勉強ステータス

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