Presenterò una formulazione equivalente ma più semplice del problema e mostrerò un limite inferiore di ( n / k - 1) / ( n −1). Mostro anche una connessione a un problema aperto nell'informazione quantistica. [Modifica nella revisione 3: Nelle revisioni precedenti, ho affermato che una caratterizzazione esatta dei casi in cui è raggiunto il limite inferiore mostrato di seguito è probabilmente difficile perché una domanda analoga nel caso complesso include un problema aperto relativo ai SIC-POVM in informazione quantistica. Tuttavia, questa connessione ai SIC-POVM era errata. Per i dettagli, vedere la sezione "Collegamento errato ai SIC-POVM nelle informazioni quantistiche" di seguito.]
Formulazione equivalente
Innanzitutto, come già indicato nella risposta di daniello, nota che Var ( x i T x j ) = E [( x i T x j ) 2 ] - E [ x i T x j ] 2 = E [( x i T x j ) 2 ]. Quindi, nel resto della risposta, dimentichiamo la varianza e invece minimizziamo al massimo i ≠ j E [( x i T x j ) 2 ].
Poi, una volta che decidiamo il nostro obiettivo è di ridurre al minimo massimo i ≠ j E [( x i T x j ) 2 ], possiamo ignorare il vincolo che E [ x i T x j ] = 0. Questo perché se abbiamo casuale unità vettori x 1 ,…, x n , quindi possiamo negare ognuna di esse in modo indipendente con probabilità 1/2 per soddisfare E [ x i T x j ] = 0 senza modificare il valore della funzione obiettivo max i ≠ j E [( x i T x j) 2 ].
Inoltre, cambiando la funzione obiettivo da max i ≠ j E [( x i T x j ) 2 ] a (1 / ( n ( n −1))) ∑ i ≠ j E [( x i T x j ) 2 ] non cambia il valore ottimale. Il secondo è al massimo il primo perché la media è al massimo il massimo. Tuttavia, possiamo sempre fare i valori di E [( x i T x j ) 2 ] per diverse scelte di ( i , j ) ( i ≠j ) uguale permettendo i n vettori x 1 ,…, x n in modo casuale.
Quindi, per ogni n e k , il valore ottimale del problema in questione è uguale al minimo di (1 / ( n ( n −1))) ∑ i ≠ j E [( x i T x j ) 2 ] dove x 1 ,…, x n sono variabili casuali che prendono i vettori unitari in ℝ k come valori.
Tuttavia, per linearità di aspettativa, questa funzione oggettiva è uguale al valore atteso E [(1 / ( n ( n −1))) ∑ i ≠ j ( x i T x j ) 2 ]. Poiché il minimo è al massimo la media, non è più necessario considerare le distribuzioni di probabilità. Cioè, il valore ottimale del problema sopra è uguale al valore ottimale di quanto segue:
Scegli vettori unità x 1 ,…, x n ∈ ℝ k per ridurre a icona (1 / ( n ( n −1))) ∑ i ≠ j ( x i T x j ) 2 .
Limite inferiore
Usando questa formulazione equivalente, proveremo che il valore ottimale è almeno ( n / k - 1) / ( n −1).
Per 1≤ i ≤ n , sia X i = x i x i T il proiettore di rango 1 corrispondente al vettore unità x i . Quindi, sostiene che ( x i T x j ) 2 = Tr ( X i X j ).
Sia Y = ∑ i X i . Quindi, sostiene che ∑ i ≠ j Tr ( X i X j ) = ∑ i , j Tr ( X i X j ) - n = Tr ( Y 2 ) - n .
La disuguaglianza di Cauchy – Schwarz implica che Tr ( Y 2 ) ≥ (Tr Y ) 2 / k = n 2 / k , e quindi ∑ i ≠ j Tr ( X i X j ) = Tr ( Y 2 ) - n ≥ n 2 / k - n . Dividendo per n ( n −1), otteniamo che il valore obiettivo sia almeno ( n / k - 1) / ( n −1).
In particolare, quando n = k +1, la risposta di daniello è entro un fattore 2 dal valore ottimale.
Quando è possibile raggiungere questo limite inferiore?
Raggiungimento di questo limite inferiore ( n / k - 1) / ( n -1) è equivalente a fare Y = ( n / k ) I . Non conosco la caratterizzazione esatta quando è raggiungibile, ma esistono le seguenti condizioni sufficienti:
- Quando n = k +1, è raggiungibile considerando i vettori di unità k +1 che formano un normale k -simplex centrato sull'origine, migliorando da 2 / ( k ( k +1)) nella risposta di daniello all'1 / k ottimale 2 .
- Quando n è un multiplo di k , è chiaramente raggiungibile fissando una base ortonormale di ℝ k e assegnando ciascuno dei vettori di base a n / k di v 1 ,…, v n .
- Più in generale dell'ultimo punto elenco, se è ottenibile con una certa scelta di k ed entrambi n = n 1 e n = n 2 , è raggiungibile anche per lo stesso k e n = n 1 + n 2 . In particolare, è raggiungibile se n = un k + b dove un e b sono numeri interi che soddisfano un ≥ b ≥0.
Anche se non ho controllato i dettagli, sembra che qualsiasi disegno sferico 2 offra una soluzione per raggiungere questo limite inferiore.
Connessione errata ai SIC-POVM nelle informazioni quantistiche
Nelle revisioni precedenti, ho dichiarato:
Ho il sospetto che rispondere a questa domanda sia una domanda difficile. Il motivo è che se invece consideriamo il complesso spazio vettoriale ℂ k , questa domanda è correlata a un problema aperto nell'informazione quantistica.
Ma questa relazione non era corretta. Spiegherò perché.
Più precisamente, considera il seguente problema:
Scegli vettori unità x 1 ,…, x n ∈ ℂ k per ridurre a icona (1 / ( n ( n −1))) ∑ i ≠ j | x i * x j | 2 .
Il limite inferiore sopra vale ugualmente in questa versione complessa. Considera il caso in cui n = k 2 nella versione complessa. Quindi il limite inferiore è uguale a 1 / ( k +1).
Finora era corretto.
Un insieme di k 2 unità vettori x 1 ,…, x k 2 ∈ ℂ k che raggiunge il limite inferiore è chiamato SIC-POVM nella dimensione k ,
Questa parte non era corretta. Un SIC-POVM è un insieme di k 2 unità vettori x 1 ,…, x n ∈ ℂ k per le quali | x i * x j | 2 = 1 / ( k +1) per tutti i ≠ j . Si noti che qui il requisito deve valere per tutte le coppie i ≠ j , non solo per la media su tutte le coppie i ≠ j . Nella sezione "Formulazione equivalente", abbiamo mostrato l'equivalenza tra minimizzare il massimo e minimizzare la media, ma questo è stato possibile perché x 1, ..., x n erano variabili casuali che portavano lì vettori di unità. Qui x 1 , ..., x n sono solo vettori di unità, quindi non possiamo usare lo stesso trucco.