Device-independent lower bounds on the conditional von Neumann entropy

冯·诺依曼熵 冯·诺依曼建筑 数学 量子密钥分配 随机性 熵(时间箭头) 条件熵 应用数学 半定规划 量子 计算机科学 数学优化 量子纠缠 纯数学 最大熵原理 量子力学 统计 物理
作者
Peter Brown,Hamza Fawzi,Omar Fawzi
出处
期刊:Quantum [Verein zur Forderung des Open Access Publizierens in den Quantenwissenschaften]
卷期号:8: 1445-1445 被引量:21
标识
DOI:10.22331/q-2024-08-27-1445
摘要

The rates of several device-independent (DI) protocols, including quantum key-distribution (QKD) and randomness expansion (RE), can be computed via an optimization of the conditional von Neumann entropy over a particular class of quantum states. In this work we introduce a numerical method to compute lower bounds on such rates. We derive a sequence of optimization problems that converge to the conditional von Neumann entropy of systems defined on general separable Hilbert spaces. Using the Navascués-Pironio-Acín hierarchy we can then relax these problems to semidefinite programs, giving a computationally tractable method to compute lower bounds on the rates of DI protocols. Applying our method to compute the rates of DI-RE and DI-QKD protocols we find substantial improvements over all previous numerical techniques, demonstrating significantly higher rates for both DI-RE and DI-QKD. In particular, for DI-QKD we show a minimal detection efficiency threshold which is within the realm of current capabilities. Moreover, we demonstrate that our method is capable of converging rapidly by recovering all known tight analytical bounds up to several decimal places. Finally, we note that our method is compatible with the entropy accumulation theorem and can thus be used to compute rates of finite round protocols and subsequently prove their security.

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