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Monogamy of Quantum Entanglement Fernando G.S.L. Brandão ETH Zürich Princeton EE Department, March 2013

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Monogamy  of  Quantum  Entanglement

Fernando  G.S.L.  Brandão ETH  Zürich  

     

   

                               

 Princeton  EE  Department,  March  2013  

Simula2ng  quantum  is  hard  

More  than  25%  of  DoE  supercomputer  power  is  devoted  to  simulaGng  quantum  physics  

 Can  we  get  a  beNer  handle  on  this  

simula'on  problem?  

Simula2ng  quantum  is  hard,    secrets  are  hard  to  conceal  

More  than  25%  of  DoE  supercomputer  power  is  devoted  to  simulaGng  quantum  physics  

 Can  we  get  a  beNer  handle  on  this  

simula'on  problem?  

All  current  cryptography  is  based  on  unproven  hardness  

assump2ons    

Can  we  have  be,er  security  guarantees  for  our  secrets?  

Quantum  Informa2on  Science…  

…  gives  a  path  for  solving  both  problems.    

 But  it’s  a  long  journey  

 QIS  is  at  the  crossover  of  

computer  science,  engineering  and  physics  

Physics   CS  

Engineering  

The  Two  Holy  Grails  of  QIS  

Quantum  Computa2on:      

Use  of  engineered  quantum  systems  for  performing  

computa2on    

Exponen2al  speed-­‐ups  over  classical  compuGng  

 

E.g.  Factoring  (RSA)  SimulaGng  quantum  systems  

Quantum  Cryptography:      

Use  of  engineered  quantum  systems  for  secret  key  

distribu2on    

Uncondi2onal  security  based  solely  on  the  correctness  of  

quantum  mechanics  

The  Two  Holy  Grails  of  QIS  

Quantum  Computa2on:      

Use  of  well  controlled  quantum  systems  for  performing  

computa2ons.      

Exponen2al  speed-­‐ups  over  classical  compuGng  

Quantum  Cryptography:      

Use  of  engineered  quantum  systems  for  secret  key  

distribu2on    

Uncondi2onal  security  based  solely  on  the  correctness  of  

quantum  mechanics  

State-­‐of-­‐the-­‐art:    +-­‐5  qubits  computer  

 Can  prove  (with  high  

probability)  that  15  =  3  x  5  

The  Two  Holy  Grails  of  QIS  

Quantum  Computa2on:      

Use  of  well  controlled  quantum  systems  for  performing  

computa2ons.      

Exponen2al  speed-­‐ups  over  classical  compuGng  

Quantum  Cryptography:      

Use  of  well  controlled  quantum  systems  for  secret  key  

distribu2on    

Uncondi2onal  security  based  solely  on  the  correctness  of  

quantum  mechanics  

State-­‐of-­‐the-­‐art:    +-­‐5  qubits  computer  

 Can  prove  (with  high  

probability)  that  15  =  3  x  5  

State-­‐of-­‐the-­‐art:    +-­‐100  km  

 SGll  many  technological  

challenges  

While  wai2ng  for  a  quantum  computer  

…how  can  a  theorist  help?    

Answer  1:  figuring  out  what  to  do  with  a  quantum  computer  and  the  fastest  way  of  building  one    

(quantum  communicaGon,  quantum  algorithms,  quantum  fault  tolerance,  quantum  simulators,  …)    

While  wai2ng  for  a  quantum  computer  

…how  can  a  theorist  help?    

Answer  1:  figuring  out  what  to  do  with  a  quantum  computer  and  the  fastest  way  of  building  one    

(quantum  communicaGon,  quantum  algorithms,  quantum  fault  tolerance,  quantum  simulators,  …)    Answer  2:  finding  applicaGons  of  QIS  independent  of  building  a  quantum  computer    

While  wai2ng  for  a  quantum  computer  

…how  can  a  theorist  help?    

Answer  1:  figuring  out  what  to  do  with  a  quantum  computer  and  the  fastest  way  of  building  one    

(quantum  communicaGon,  quantum  algorithms,  quantum  fault  tolerance,  quantum  simulators,  …)    Answer  2:  finding  applicaGons  of  QIS  independent  of  building  a  quantum  computer    

This  talk  

Quantum  Mechanics  I

States:  norm-­‐one  vector  in  Cd:  

   Dynamics:    L2  norm  preserving  linear  maps,                                              unitary  matrices:  UUT  =  I    ObservaGon:  To  any  experiment  with  d  outcomes  we                                                    associate  d  PSD  matrices  {Mk}  such  that  ΣkMk=I                                                          Born’s  rule:        

     

                                                                                                                   

ψ := (ψ1,...,ψd )T

Pr(k) = ψ Mk ψ

probability  theory  based  on  L2  norm  instead  of  L1  

ψ2= ψ ψ =1

Quantum  Mechanics  II

Mixed  States:  PSD  matrix  of  unit  trace:              Dynamics:  linear  operaGons  mapping  density  matrices  to  density  matrices  (unitaries  +  adding  ancilla  +  ignoring  subsystems)      

Born’s  rule:        

     

                                                                                                                   

Pr(k) = tr ρMk( )

probability  theory  based  on  PSD  matrices  

ρ ≥ 0, tr ρ( ) =1 ρ = pi ψi ψii∑

Dirac  notaGon  reminder:   ψ := (ψ1*,...,ψd

* )

Quantum  Entanglement

Pure  States:  

           If                                                                                                  ,  it’s  separable                otherwise,  it’s  entangled.      

Mixed  States:  

           If                                                                                                                                    ,  it’s  separable                otherwise,  it’s  entangled.    

                       

     

                                                                                                                   

ψAB= φ

A⊗ ϕ

B

ρ = pi ψi ψi ⊗ φi φii∑

ψAB∈Cd ⊗Cl

ρAB ∈ D(Cd ⊗Cl )

A  Physical  Defini2on  of  Entanglement

                       

     

                                                                                                                   

LOCC:  Local  quantum  OperaGons  and  Classical  CommunicaGon  

Separable  states  can  be  created  by  LOCC:        Entangled  states  cannot  be  created  by  LOCC:      

non-­‐classical  correlaGons  

ρ = pi ψi ψi ⊗ φi φii∑

Quantum  Features SuperposiGon  principle                                      uncertainty  principle                

               interference                                                                            non-­‐locality          

Monogamy  of  Entanglement

Monogamy  of  Entanglement

Maximally  Entangled  State:    CorrelaGons  of  A  and  B  in                                  cannot  be  shared:      

If  ρABE  is  is  s.t.  ρAB  =                                ,    then  ρABE  =        Only  knowing  that  the  quantum  correlaGons  of  A  and  B  are  very  strong  one  can  infer  A  and  B  are  not  correlated  with  anything  else.    Purely  quantum  mechanical  phenomenon!  

φAB= 00 + 11( ) / 2

φ φAB

φ φAB

φ φAB⊗ ρE

Quantum  Key  Distribu2on… …  as  an  applica2on  of  entanglement  monogamy  

-­‐  Using  insecure  channel  Alice  and  Bob  share  entangled  state  ρAB  -­‐  Applying  LOCC  they  disGll    

       

φAB= 00 + 11( ) / 2

(BenneN,  Brassard  84,  Ekert  91)  

Quantum  Key  Distribu2on… …  as  an  applica2on  of  entanglement  monogamy  

-­‐  Using  insecure  channel  Alice  and  Bob  share  entangled  state  ρAB  -­‐  Applying  LOCC  they  disGll    

     Let  πABE  be  the  state  of  Alice,  Bob  and  the  Eavesdropper.          Since  πAB  =                              ,  πAB  =                                                  .  Measuring  A  and  B          in  the  computaGonal  basis  give  1  bit  of  secret  key.  

φAB= 00 + 11( ) / 2

φ φAB

φ φAB⊗ π E

(BenneN,  Brassard  84,  Ekert  91)  

Outline Entanglement  Monogamy      

                                                                                                                   How  general  is  the  concept?                                                                                                                        Can  we  make  it  quanGtaGve?                                                                                                      Are  there  other  applicaGons/implicaGons?  

1.  Detec2ng  Entanglement  and  Sum-­‐Of-­‐Squares  Hierarchy    2.  Accuracy  of  Mean-­‐Field  Approxima2on    3.  Other  Applica2ons  

Problem  1:  For  M  in  H(Cd)  (d  x  d  matrix)  compute  

                   

                                                                                       Very  Easy!    

Problem  2:  For  M  in  H(Cd        Cl),  compute          

                                                                                                                   

Quadra2c  vs  Biquadra2c  Op2miza2on

Next:  Best  known  algorithm  (and  best  hardness  result)  using  

ideas  from  Quantum  InformaGon  Theory  

max x =1 xTMx =max x =1 Mijxix j

*

i, j∑

max x = y =1(x⊗ y)T M (x⊗ y) =max x = y =1 Mij;kl xix j*

ijkl∑ ykyl

*

Problem  1:  For  M  in  H(Cd)  (d  x  d  matrix)  compute  

                   

                                                                                       Very  Easy!    

Problem  2:  For  M  in  H(Cd        Cl),  compute          

                                                                                                                   

Quadra2c  vs  Biquadra2c  Op2miza2on

Next:  Best  known  algorithm  using  monogamy  of  entanglement  

max x =1 xTMx =max x =1 Mijxix j

*

i, j∑

max x = y =1(x⊗ y)T M (x⊗ y) =max x = y =1 Mij;kl xix j*

ijkl∑ ykyl

*

The  Separability  Problem  

•   Given    

             is  it  entangled?    •   (Weak  Membership:  WSEP(ε,  ||*||))  Given  ρAB                  determine  if  it  is  separable,  or  ε-­‐away  from  SEP  

                       

     

                                                                                                                   

ρAB ∈ D(Cd ⊗Cl )

SEP   D  ε  

The  Separability  Problem  

•   Given    

             is  it  entangled?    •   (Weak  Membership:  WSEP(ε,  ||*||))  Given  ρAB                  determine  if  it  is  separable,  or  ε-­‐away  from  SEP  

                       

     

                                                                                                                   

ρAB ∈ D(Cd ⊗Cl )

SEP   D  ε  X

2= tr XTX( )

1/2Frobenius  norm  

The  Separability  Problem  

•   Given    

             is  it  entangled?    •   (Weak  Membership:  WSEP(ε,  ||*||))  Given  ρAB                  determine  if  it  is  separable,  or  ε-­‐away  from  SEP  

                       

     

                                                                                                                   

ρAB ∈ D(Cd ⊗Cl )

SEP   D  ε  X

2= tr XTX( )

1/2

ρ −σLOCC

=

maxM∈LOCC

tr(M (ρ −σ ))

Frobenius  norm  

LOCC  norm  

The  Separability  Problem  

•   Given    

             is  it  entangled?    •   (Weak  Membership:  WSEP(ε,  ||*||))  Given  ρAB                  determine  if  it  is  separable,  or  ε-­‐away  from  SEP    •   Dual  Problem:  OpGmizaGon  over  separable  states  

 

                       

     

                                                                                                                   

ρAB ∈ D(Cd ⊗Cl )

hSEP (M ) := maxσ∈SEPtr(Mσ ) = max

x = y =1(x⊗ y)T M (x⊗ y)

The  Separability  Problem  

•   Given    

             is  it  entangled?    •   (Weak  Membership:  WSEP(ε,  ||*||))  Given  ρAB                  determine  if  it  is  separable,  or  ε-­‐away  from  SEP    •   Dual  Problem:  OpGmizaGon  over  separable  states  

•   Relevance:  Entanglement  is  a  resource  in  quantum                    cryptography,  quantum  communicaGon,  etc…      

                       

     

                                                                                                                   

ρAB ∈ D(Cd ⊗Cl )

hSEP (M ) := maxσ∈SEPtr(Mσ ) = max

x = y =1(x⊗ y)T M (x⊗ y)

Previous  Work

When  is  ρAB  entangled?      

       -­‐  Decide  if  ρAB  is  separable  or  ε-­‐away  from  separable    BeauGful  theory  behind  it  (PPT,  entanglement  witnesses,  etc)      Horribly  expensive  algorithms    

State-­‐of-­‐the-­‐art:  2O(|A|log|B|)  Gme  complexity      Same  for  esGmaGng  hSEP    (no  beNer  than  exausGve  search!)    

                                                                                                 

dim  of  A  

Hardness  Results

When  is  ρAB  entangled?      

       -­‐  Decide  if  ρAB  is  separable  or  ε-­‐away  from  separable    (Gurvits  ’02,  Gharibian  ’08,  …)    NP-­‐hard  with  ε=1/poly(|A||B|)      

 

(Harrow,  Montanaro  ‘10)    No  exp(O(log1-­‐ν|A|log1-­‐μ|B|))  Gme  algorithm  with  ε=Ω(1)    and  any  ν+μ>0  for  unless  ETH  fails          

ETH  (ExponenGal  Time  Hypothesis):  SAT  cannot  be  solved  in  2o(n)  Gme  (Impagliazzo&ParuG  ’99)  

Quasipolynomial-­‐2me  Algorithm

(B.,  Christandl,  Yard  ’11)  There  is  an  algorithm  with  run  Gme  exp(O(ε-­‐2log|A|log|B|))  for  WSEP(||*||,  ε)        

Quasipolynomial-­‐2me  Algorithm

(B.,  Christandl,  Yard  ’11)  There  is  an  algorithm  with  run  Gme  exp(O(ε-­‐2log|A|log|B|))  for  WSEP(||*||,  ε)        

Corollary:  Solving  WSEP(||*||,  ε)    is  not  NP-­‐hard  for    ε  =  1/polylog(|A||B|),  unless  ETH  fails      Contrast  with:    (Gurvits  ’02,  Gharibian  ‘08)  Solving  WSEP(||*||,  ε)    NP-­‐hard  for    ε  =  1/poly(|A||B|)        

Quasipolynomial-­‐2me  Algorithm

(B.,  Christandl,  Yard  ’11)    For  M  in  1-­‐LOCC,  can  compute  hSEP(M)  within  addiGve  error  ε  in  Gme  exp(O(ε-­‐2log|A|log|B|))        M  in  1-­‐LOCC:      Contrast  with    

(Harrow,  Montanaro  ’10)  No  exp(O(log1-­‐ν|A|log1-­‐μ|B|))  algorithm  for  hSEP(M)  with  ε=Ω(1),  for  separable  M      M  in  SEP:     M = Ak ⊗ Bk, Ak,Bk ≥ 0

k∑ ,M ≤ I

M = Ak ⊗ Bk, Ak,Bk ≥ 0k∑ ,Bk ≤ I, Ak ≤ I

k∑

Algorithm:  SoS  Hierarchy hSEP (M ) =max x = y =1 Mij;kl xix j

*

ijkl∑ ykyl

*

Polynomial  opGmizaGon  over  hypersphere    

Sum-­‐Of-­‐Squares  (Parrilo/Lasserre)  hierarchy:    gives  sequence  of  SDPs  that  approximate  hSEP(M)      

-­‐        Round  k  takes  Gme  dim(M)O(k)  -­‐  Converge  to  hSEP(M)  when  k  -­‐>  ∞      

SoS  is  the  strongest  SDP  hierarchy  known  for    polynomial  opGmizaGon  (connecGons  with  SoS  proof  system,    real  algebraic  geometric,  Hilbert’s  17th  problem,  …)    

We’ll  derive  SoS  hierarchy  by  a  quantum  argument      

Algorithm:  SoS  Hierarchy hSEP (M ) =max x = y =1 Mij;kl xix j

*

ijkl∑ ykyl

*

Polynomial  opGmizaGon  over  hypersphere    

Sum-­‐Of-­‐Squares  (Parrilo/Lasserre)  hierarchy:    gives  sequence  of  SDPs  that  approximate  hSEP(M)      

-­‐        Round  k  SDP  has  size  dim(M)O(k)  -­‐  Converge  to  hSEP(M)  when  k  -­‐>  ∞      

   

Algorithm:  SoS  Hierarchy hSEP (M ) =max x = y =1 Mij;kl xix j

*

ijkl∑ ykyl

*

Polynomial  opGmizaGon  over  hypersphere    

Sum-­‐Of-­‐Squares  (Parrilo/Lasserre)  hierarchy:    gives  sequence  of  SDPs  that  approximate  hSEP(M)      

-­‐        Round  k  SDP  has  size  dim(M)O(k)  -­‐  Converge  to  hSEP(M)  when  k  -­‐>  ∞      

SoS  is  the  strongest  SDP  hierarchy  known  for    polynomial  opGmizaGon  (connecGons  with  SoS  proof  system,    real  algebraic  geometric,  Hilbert’s  17th  problem,  …)    

We’ll  derive  SoS  hierarchy  exploring  ent.  monogamy    

Classical  Correla2ons  are  Shareable

                           Given  separable  state                      Consider  the  symmetric  extension    

σ AB1,...,Bk= pj ψ j ψ j ⊗

j∑ ϕ j ϕ j

⊗k

Def.  ρAB  is  k-­‐extendible  if  there  is  ρAB1…Bk  s.t    for  all                      j  in  [k],    tr\  Bj  (ρAB1…Bk)  =  ρAB    

A  

B1  B2  B3  B4  

Bk  …  

σ AB = pj ψ j ψ j ⊗j∑ ϕ j ϕ j

Monogamy  Defines  Entanglement (Stormer  ’69,  Hudson  &  Moody  ’76,  Raggio  &  Werner  ’89)  ρAB  separable  iff    ρAB  is  k-­‐extendible  for  all  k                                        

2-extendible

separable states= extendible

3-extendible

137-extendible

2

Measure Esq ED KD EC EF ER E�R EN

normalisation y y y y y y y yfaithfulness y n ? y y y y nLOCC monotonicity y y y y y y y yasymptotic continuity y ? ? ? y y y nconvexity y ? ? ? y y y nstrong superadditivity y y y ? n n ? ?subadditivity y ? ? y y y y ymonogamy y ? ? n n n n ?

TABLE I: If no citation is given, the property either follows directly from the definition or was derived bythe authors of the main reference. Many recent results listed in this table have significance beyond the studyof entanglement measures, such as Hastings’ counterexample to the additivity conjecture of the minimumoutput entropy [76] which implies that entanglement of formation is not strongly superadditive [79].

I. INTRODUCTION

⇥ R|AB|2�1

⌃⇧⌅⌥�

11|AB|

⇤min(|A|,|B|i,j |ii⌃⇧jj|

|AB|

|00⌃

O

�log |A|�2

⌅�

Squashed entanglement is the quantum analogue of the intrinsic information, which is definedas

I(X;Y ⇤Z) := infPZ̄|Z

I(X;Y |Z̄),

for a triple of random variables X,Y, Z [16]. The minimisation extends over all conditional prob-ability distributions mapping Z to Z̄. It has been shown that the minimisation can be restrictedto random variables Z̄ with size |Z̄| = |Z|[17]. This implies that the minimum is achieved and in

all quantum states

3

⇥AB =

⇧⇧⇤

12 0 0 1

20 0 0 00 0 0 012 0 0 1

2

⌃⌃⌅

� > 0

⇧⇥

⇥�AB =

⇧⇧⇤

12 0 0 00 0 1

2 00 1

2 0 00 0 0 1

2

⌃⌃⌅

⇥AB =

⇧⇧⇤

13 0 0 1

60 1

6 0 00 0 1

6 016 0 0 1

3

⌃⌃⌅

⇥AB =

⇧⇧⇤

23 0 0 1

30 0 0 00 0 0 013 0 0 1

3

⌃⌃⌅

⇥AB =

⇧⇧⇤

38 0 0 2

80 1

8 0 00 0 1

8 028 0 0 3

8

⌃⌃⌅

⇥AB1B2···Bk =⌥

i

pi⇥iA � ⇥iB1

� ⇥iB2� · · ·� ⇥iBk

|�⌃AB = |0⌃A � |0⌃B

search for a 2-extension, 3-extension......How close to separable is if a k-extension is found? How long does it take to check if a k-extension exists?

3

n = |A|2|B|O⇣

log |A|�2

= eO(��2 log |A| log |B|)

poly(n) = eO(��2 log |A| log |B|)

⇥AB = |�⌃⇧�|AB =

⇧⇧⇤

1 0 0 00 0 0 00 0 0 00 0 0 0

⌃⌃⌅

⇥AB =

⇧⇧⇤

1 0 0 00 0 0 00 0 0 00 0 0 0

⌃⌃⌅

⇥AB = |�⌃⇧�|AB =

⇧⇧⇤

12 0 0 1

20 0 0 00 0 0 012 0 0 1

2

⌃⌃⌅

⇥AB =

⇧⇧⇤

12 0 0 1

20 0 0 00 0 0 012 0 0 1

2

⌃⌃⌅

� > 0

⌅�

⇥�AB =

⇧⇧⇤

12 0 0 00 0 1

2 00 1

2 0 00 0 0 1

2

⌃⌃⌅

SoS  as  op2miza2on  over    k-­‐extensions

(Doherty,  Parrilo,  Spedalieri  ‘01)  k-­‐level  SoS  SDP  for  hSEP(M)  is  equivalent  to  opGmizaGon  over  k-­‐extendible  states  (plus  PPT  (posiGve  parGal  transpose)  test):                                

max tr(Mπ ) : ∃ σ AB1...Bk≥ 0, tr(σ ) =1, σ ABj

= π ∀j

How  close  to  separable  are    k-­‐extendible  states?

(Koenig,  Renner  ‘04)  De  Fine~  Bound    If  ρAB  is  k-­‐extendible      

     

Improved  de  Fine~  Bound  (B.,  Christandl,  Yard  ’11)    

 

If  ρAB  is  k-­‐extendible:    

minσ∈SEP

ρAB −σ AB ≤4 ln2 log A

k$

%&

'

()

1/2

minσ∈SEP

ρAB −σ AB ≤ΩB 2

k

%

&

''

(

)

**

How  close  to  separable  are    k-­‐extendible  states?

(Koenig,  Renner  ‘04)  De  Fine~  Bound    If  ρAB  is  k-­‐extendible      

     

Improved  de  Fine~  Bound  (B.,  Christandl,  Yard  ’11)    

 

If  ρAB  is  k-­‐extendible:    

minσ∈SEP

ρAB −σ AB ≤4 ln2 log A

k$

%&

'

()

1/2

minσ∈SEP

ρAB −σ AB ≤ΩB 2

k

%

&

''

(

)

**

How  close  to  separable  are    k-­‐extendible  states?

Improved  de  Fine~  Bound      

If  ρAB  is  k-­‐extendible:    

minσ∈SEP

ρAB −σ AB ≤4 ln2 log A

k$

%&

'

()

1/2

k=2ln(2)ε-­‐2log|A|  rounds  of  SoS  solves  WSEP(ε)  with  a  SDP  of  size      

|A||B|k  =  exp(O(ε-­‐2log|A|  log|B|))  SEP   D  ε  

Proving…

minσ∈SEP

ρAB −σ AB ≤4 ln2 log A

k$

%&

'

()

1/2

Proof  is  informaGon-­‐theoreGc    

Mutual  InformaGon:    I(A:B)ρ  :=  H(A)  +  H(B)  –  H(AB)                          H(A)ρ  :=  -­‐tr(ρ  log(ρ))    

     

Improved  de  Fine~  Bound      

If  ρAB  is  k-­‐extendible:    

Proving…

minσ∈SEP

ρAB −σ AB ≤4 ln2 log A

k$

%&

'

()

1/2

Proof  is  informaGon-­‐theoreGc    

Mutual  InformaGon:    I(A:B)ρ  :=  H(A)  +  H(B)  –  H(AB)                          H(A)ρ  :=  -­‐tr(ρ  log(ρ))    

Let  ρAB1…Bk  be  k-­‐extension  of  ρAB    

log|A|  >  I(A:B1…Bk)  =  I(A:B1)+I(A:B2|B1)+…+I(A:Bk|B1…Bk-­‐1)    For  some  l<k:      I(A:Bl|B1…Bl-­‐1)  <  log|A|/k      

(chain  rule)  

Improved  de  Fine~  Bound      

If  ρAB  is  k-­‐extendible:    

Proving…

minσ∈SEP

ρAB −σ AB ≤4 ln2 log A

k$

%&

'

()

1/2

Proof  is  informaGon-­‐theoreGc    

Mutual  InformaGon:    I(A:B)ρ  :=  H(A)  +  H(B)  –  H(AB)                          H(A)ρ  :=  -­‐tr(ρ  log(ρ))    

Let  ρAB1…Bk  be  k-­‐extension  of  ρAB    

log|A|  >  I(A:B1…Bk)  =  I(A:B1)+I(A:B2|B1)+…+I(A:Bk|B1…Bk-­‐1)    For  some  l<k:      I(A:Bl|B1…Bl-­‐1)  <  log|A|/k      

(chain  rule)  

What  does  it  imply?  

Improved  de  Fine~  Bound      

If  ρAB  is  k-­‐extendible:    

Quantum  Informa2on?

Nature isn't classical, dammit, and if you want to make a simulation of

Nature, you'd better make it quantum mechanical, and by golly

it's a wonderful problem, because it doesn't look so easy.�

Quantum  Informa2on?

Nature isn't classical, dammit, and if you want to make a simulation of

Nature, you'd better make it quantum mechanical, and by golly

it's a wonderful problem, because it doesn't look so easy.�

Bad news�•  Only definition I(A:B|C)=H(AC)

+H(BC)-H(ABC)-H(C) �

•  Can’t condition on quantum information.�

•  I(A:B|C)ρ ≈ 0 doesn’t imply ρ is approximately separable�in 1-norm (Ibinson, Linden, Winter ’08)�

Good news�•  I(A:B|C) still defined�

•  Chain rule, etc. still hold�

•  I(A:B|C)ρ=0 implies ρ is separable�

(Hayden, Jozsa, Petz, Winter‘03)�

informa2on  theory  

         Obs:  I(A:B|E)≥0  is  strong  subaddiGvity  inequality  (Lieb,  Ruskai  ‘73)    Chain  rule:    

2log|A|  >  I(A:B1…Bk)  =  I(A:B1)+I(A:B2|B1)+…+I(A:Bk|B1…Bk-­‐1)      

For  ρAB  k-­‐extendible:  

Proving  the  Bound

Thm  (B.,  Christandl,  Yard  ’11)  

I(A :B |C) ≥ 12 ln2

minσ∈SEP

ρAB −σ AB2

2 log A ≥k

2 ln2minσ∈SEP

ρAB −σ AB2

Condi2onal  Mutual  Informa2on  Bound  

•  Coding  Theory          Strong  subaddiGvity  of  von  Neumann            entropy  as  state  redistribuGon  rate                  (Devetak,  Yard  ‘06)    •  Large  DeviaGon  Theory          Hypothesis  tesGng  for  entanglement              (B.,  Plenio  ‘08)      

(                                                                                                                                                                                                                          )  

I(A :B |C) ≥ 12 ln2

minσ∈SEP

ρAB −σ AB2

I(A :B |C)ρ ≥ER∞(ρA:BE )−ER

∞(ρA:E )≥D1−LOCC (ρA:B )≥1

2 ln2minσ∈SEP

ρA:B −σ 1−LOCC

2

hSEP  equivalent  to  

1.   InjecGve  norm  of  3-­‐index  tensors  

2.   Minimum  output  entropy  quantum  channel,  OpGmal  acceptance  probability  in  QMA(2),  ….    

 4.  2-­‐>q  norms  of  projectors:  

(||*||2-­‐>q  for  q  >  2  are  hypercontracGve  norms:  useful  in  Markov  Chain  Monte  Carlo  (rapidly  mixing  condiGon),  etc)  

P2→q:=max x 2=1

Pxq

P2→4

= hSEP (M ), M = P k k P( )⊗ P k k P( )k∑

Quantum  Bound  on  SoS  Implies  

1.  For  n  x  n  matrix  A  can  compute  with  O(log(n)ε-­‐3)  rounds  of  SoS  a  number  x  s.t.        

2.  nO(ε)  -­‐level  SoS  solves  ε-­‐Small  Set  Expansion  Problem    (closely  related  to  unique  games).    AlternaGve  algorithm  to  (Arora,  Barak,  Steurer  ’10)    3.  Open  Problem:    Improvement  in  bound  (addiGve  -­‐>  mulGplicaGve  error)  would  solve  SSE  in  exp(O(log2(n)))  Gme.    

Can  formulate  it  as  a  quantum  informaGon-­‐theoreGc  problem    

       

A2→4

4≤ x ≤ A

2→4

4+ε A

2→2

2 A2→∞

2

(Barak,  B.,  Harrow,  Kelner,  Steurer,  Zhou  ‘12)  

Quantum  Bound  on  SoS  Implies  

1.  For  n  x  n  matrix  A  can  compute  with  O(log(n)ε-­‐3)  rounds  of  SoS  a  number  x  s.t.        

2.  nO(ε)  -­‐level  SoS  solves  ε-­‐Small  Set  Expansion  Problem    (closely  related  to  unique  games).    AlternaGve  algorithm  to  (Arora,  Barak,  Steurer  ’10)    3.  Open  Problem:    Improvement  in  bound  (addiGve  -­‐>  mulGplicaGve  error)  would  solve  SSE  in  exp(O(log2(n)))  Gme.    

Can  formulate  it  as  a  quantum  informaGon-­‐theoreGc  problem    

       

A2→4

4≤ x ≤ A

2→4

4+ε A

2→2

2 A2→∞

2

(Barak,  B.,  Harrow,  Kelner,  Steurer,  Zhou  ‘12)  

Quantum  Bound  on  SoS  Implies  

1.  For  n  x  n  matrix  A  can  compute  with  O(log(n)ε-­‐3)  rounds  of  SoS  a  number  x  s.t.        

2.  nO(ε)  -­‐level  SoS  solves  ε-­‐Small  Set  Expansion  Problem    (closely  related  to  unique  games).    AlternaGve  algorithm  to  (Arora,  Barak,  Steurer  ’10)    3.  Open  Problem:    Improvement  in  bound  (addiGve  -­‐>  mulGplicaGve  error)  would  solve  SSE  in  exp(O(log2(n)))  Gme.    

Can  formulate  it  as  a  quantum  informaGon-­‐theoreGc  problem    

       

A2→4

4≤ x ≤ A

2→4

4+ε A

2→2

2 A2→∞

2

(Barak,  B.,  Harrow,  Kelner,  Steurer,  Zhou  ‘12)  

Outline Entanglement  Monogamy      

                                                                                                                   How  general  is  the  concept?                                                                                                                        Can  we  make  it  quanGtaGve?                                                                                                      Are  there  other  applicaGons/implicaGons?  

1.  Detec2ng  Entanglement  and  Sum-­‐Of-­‐Squares  Hierarchy    2.  Accuracy  of  Mean  Field  Approxima2on    3.  Other  applica2ons  

Constraint  Sa2sfac2on  Problems  vs  Local  Hamiltonians

k-­‐arity  CSP:    

Variables  {x1,  …,  xn},  alphabet  Σ    

Constraints:    

Assignment:        

Unsat  :=    

cj :Σk → {0,1}

minσ

cj (σ (x j1 ),...,σ (x jk ))j∑

σ :[n]→Σ

Constraint  Sa2sfac2on  Problems  vs  Local  Hamiltonians

k-­‐arity  CSP:    

Variables  {x1,  …,  xn},  alphabet  Σ    

Constraints:    

Assignment:        

Unsat  :=    

cj :Σk → {0,1}

minσ

cj (σ (x j1 ),...,σ (x jk ))j∑

σ :[n]→Σ

k-­‐local  Hamiltonian  H:    

n  qudits  in      

Constraints:      

qUnsat  :=        E0  :  min  eigenvalue  

Cd( )⊗n

H j ∈ Her Cd( )⊗k( )

E0 H jj∑"

#$$

%

&''

H1  

qudit  

C.  vs  Q.  Op2mal  Assignments Finding  opGmal  assignment  of  CSPs  can  be  hard  

C.  vs  Q.  Op2mal  Assignments Finding  opGmal  assignment  of  CSPs  can  be  hard  

Finding  opGmal  assignment  of  quantum  CSPs  can  be  even  harder    

(BCS,  Laughlin  states  for  FQHE,…)  

Main  difference:  OpGmal  Assignment  can  be  a  highly  entangled  state  (unit  vector  in                    )  Cd( )

⊗n

Op2mal  Assignments:  Entangled  States

↑ ↓ − ↓ ↑( ) / 2

Non-­‐entangled  state:      

e.g.    Entangled  states:          

e.g.  

↑ ⊗ ...⊗ ↑

a1 0 +b1 1( )⊗ ...⊗ an 0 +bn 1( )

ci1,...,in i1,...,ini1,...,in

To  describe  a  general  entangled  state  of  n  spins  requires  exp(O(n))  bits  

How  Entangled?

ψAB∈Cn ⊗Cm

ρA ≥ 0, tr(ρA) =1

Given  biparGte  entangled  state    the  reduced  state  on  A  is  mixed:    The  more  mixed  ρA,  the  more  entangled  ψAB:    QuanGtaGvely:  E(ψAB)  :=  S(ρA)  =  -­‐tr(ρA  log  ρA)      Is  there  a  relaGon  between  the  amount  of  entanglement  in  the  ground-­‐state  and  the  computaGonal  complexity  of  the  model?          

Mean-­‐Field…  …consists  in  approxima2ng  groundstate    by  a  product  state                                                                                          is  a  CSP  

ψ1 ⊗…⊗ ψn

maxψ1,…,ψn

ψ1,…,ψn H ψ1,…,ψn

Successful  heurisGc  in            Quantum  Chemistry  (e.g.  Hartree-­‐Fock)                                                                                            Condensed  maNer  (e.g.  BCS  theory)      

Folklore:    Mean-­‐Field  good  when          Many-­‐parGcle  interacGons                                                                                              Low  entanglement  in  state  

Mean-­‐Field  Good  When (B.,  Harrow  ‘12)  Let  H  be  a  2-­‐local  Hamiltonian  on  qudits  with  interacGon  

graph  G(V,  E)  and  |E|  local  terms.    

   

(B.,  Harrow  ‘12)  Let  H  be  a  2-­‐local  Hamiltonian  on  qudits  with  interacGon  graph  G(V,  E)  and  |E|  local  terms.    

Let  {Xi}  be  a  parGGon  of  the  sites  with  each  Xi  having  m  sites.      

X1  

X3  X2  

m  <  O(log(n))  

Mean-­‐Field  Good  When

(B.,  Harrow  ‘12)  Let  H  be  a  2-­‐local  Hamiltonian  on  qudits  with  interacGon  graph  G(V,  E)  and  |E|  local  terms.    

Let  {Xi}  be  a  parGGon  of  the  sites  with  each  Xi  having  m  sites.    Then  there  are  products  states  ψi  in  Xi  s.t.        

1| E |

ψ1,...,ψm H ψ1,...,ψm ≤ e0 (H )+Ω d 6 1deg(G)

EiS(Xi )m

#

$%

&

'(

1/8

deg(G)  :  degree  of  G  Ei                    :  expectaGon  over  Xi  S(Xi)          :  entropy  of                                  groundstate  in  Xi  

X1  

X3  X2  

m  <  O(log(n))  

Mean-­‐Field  Good  When

Approxima2on  in  terms  of  degree  

1-D �

2-D �

3-D �

∞-D �

…shows  mean  field  becomes  exact  in  high  dim  

1| E |

ψ1,...,ψm H ψ1,...,ψm ≤ e0 (H )+Ω d 6 1deg(G)

EiS(Xi )m

#

$%

&

'(

1/8

Approxima2on  in  terms  of  degree

Relevant  to  the  quantum  PCP  problem:        

(Aharonov,  Arad,  Landau,  Vazirani  ’08;  Freedman,  HasGngs  ‘12;  Bravyi,  DiVincenzo,  Loss,  Terhal  ’08,  Aaronson  ‘08)      

Is  approximaGng  e0(H)  to  constant  accuracy                                                                                            quantum  NP-­‐hard?      

It  shows  that  quantum  generalizaGons  of  PCP  theorem    and  parallel  repeGGon  cannot  both  be  true    (assuming  “quantum  NP”=  QMA    ≠  NP)  

 

   

1| E |

ψ1,...,ψm H ψ1,...,ψm ≤ e0 (H )+Ω d 6 1deg(G)

EiS(Xi )m

#

$%

&

'(

1/8

Approxima2on  in  terms  of  average  entanglement

EiS(Xi )m

= o(1)Mean-­‐field  works  well  if  entanglement  of  groundstate  saGsfies  a    subvolume  law:  

ConnecGon  of  amount  of  entanglement  in  groundstate  and  computaGonal  complexity  of  the  model    

X1  

X3  X2  

m  <  O(log(n))  

Approxima2on  in  terms  of  average  entanglement

Systems  with  low  entanglement  are  expected  to  be  simpler    

So  far  only  precise  in  1D:      

Area  law  for  entanglement  -­‐>  Succinct  classical  descripGon                                                                                                                                                                                                  (MPS)  Here:  Good:  arbitrary  la~ce,  only  subvolume  law    

Bad:  Only  mean  energy  approximated  well  

1| E |

ψ1,...,ψm H ψ1,...,ψm ≤ e0 (H )+Ω d 6 1deg(G)

EiS(Xi )m

#

$%

&

'(

1/8

New  Algorithms  for  Quantum  Hamiltonians

Following  same  approach  we  also  obtain  polynomial  Gme  algorithms  for  approximaGng  the  groundstate  energy  of    1.  Planar  Hamiltonians,  improving  on  (Bansal,  Bravyi,  Terhal  ‘07)  2.  Dense  Hamiltonians,  improving  on  (Gharibian,  Kempe  ‘10)  3.  Hamiltonians  on  graphs  with  low  threshold  rank,  building              on  (Barak,  Raghavendra,  Steurer  ‘10)  

In  all  cases  we  prove  that  a  product  state  does  a  good  job  and    use  efficient  algorithms  for  CSPs.      

Proof  Idea:  Monogamy  of  Entanglement

Cannot  be  highly  entangled  with  too  many  neighbors    Entropy  S(Xi)  quanGfies  how  entangled  it  can  be  

Proof  uses  informaGon-­‐theoreGc  techniques  (chain  rule  of  condiGonal  mutual  informaGon,  informaGonally  complete    measurements,  etc)  to  make  this  intuiGon  precise  

Inspired  by  classical  informaGon-­‐theoreGc  ideas  for  bounding  convergence  of  SoS  hierarchy  for  CSPs      (Tan,  Raghavendra  ’10;    Barak,  Raghavendra,  Steurer  ‘10)  

Xi  

Outline Entanglement  Monogamy      

                                                                                                                   How  general  is  the  concept?                                                                                                                        Can  we  make  it  quanGtaGve?                                                                                                      Are  there  other  applicaGons/implicaGons?  

1.  Detec2ng  Entanglement  and  Sum-­‐Of-­‐Squares  Hierarchy    2.  Accuracy  of  Mean  Field  Approxima2on    3.  Other  applica2ons  

Other  Applica2ons

(B.,  Horodecki  ‘12)    Proving  entanglement  area  law  from  exponenGal  decay  of  correlaGons  for  1D  states    (Almheiri,  Marolf,  Polchinski,  Sully  ’12)    Black  hole  firewall  controversy      (Vidick,  Vazirani  ’12;  BarteN,  Colbeck,  Kent  ’12;  …)    Device  independent  key  distribuGon    (Vidick  and  Ito  ‘12)    Entangled  mulGple  proof  systems:  NEXP  in  MIP*  

Conclusions Entanglement  Monogamy  is  a  dis2nguishing  feature  of  quantum  correla2ons    

(quantum  engineering)  It’s  at  the  heart  of  quantum  cryptography    

(convex  opGmizaGon)                                                      Can  be  used  to  detect  entanglement  efficiently  and  understand  Sum-­‐Of-­‐Squares  hierarchy  beNer    

(computaGonal  physics)  Can  be  used  to  bound  efficiency  of  mean-­‐field  approximaGon      

(quantum  many-­‐body  physics)  Can  be  used  to  prove  area  law  from  exponenGal  decay  of  correlaGons          QIT  useful  to  bound  efficiency  of  mean-­‐field  theory    -­‐  Cornering  quantum  PCP    -­‐  Poly-­‐Gme  algorithms  for  planar  and  dense  Hamiltonians  

   

Thank  you!