不假思索地抹去老物与自己存在的证据。

考虑这样一个 game,有三个人 Alice、Bob 和 Charlie。现在均匀随机地从{000,011,110,101}\{000,011,110,101\} 中选取一个串,并把三个 bit 分别给 Alice、Bob 和 Charlie。然后他们三个人在不互相通讯的情况下,分别输出一个 bit,记为a,b,ca,b,c。如果满足

a⊕b⊕c=x∨y∨z,a\oplus b \oplus c = x \lor y \lor z,

就算赢得这个 game。很显然,除了xyz=000xyz=000 的情况外,都需要a⊕b⊕c=1a\oplus b\oplus c=1。

经典情况下,获胜概率最多只有 3/4。为什么呢?我们不妨假设 Alice、Bob 和 Charlie 分别使用函数fA,fB,fC:{0,1}→{0,1}f_A,f_B,f_C:\{0,1\}\to \{0,1\} 来决定输出的 bit。那么我们有

输入x,y,z需要的输出0,0,00=fA(0)⊕fB(0)⊕fC(0)0,1,11=fA(0)⊕fB(1)⊕fC(1)1,0,11=fA(1)⊕fB(0)⊕fC(1)1,1,01=fA(1)⊕fB(1)⊕fC(0)\begin{array}{c|c} \text{输入}x,y,z & \text{需要的输出} \\ \hline 0,0,0 & 0=f_A(0)\oplus f_B(0)\oplus f_C(0) \\ 0,1,1 & 1=f_A(0)\oplus f_B(1)\oplus f_C(1) \\ 1,0,1 & 1=f_A(1)\oplus f_B(0)\oplus f_C(1) \\ 1,1,0 & 1=f_A(1)\oplus f_B(1)\oplus f_C(0) \\ \end{array}

我们证明,无论采取怎样的策略(即不同的fA,fB,fCf_A,f_B,f_C),都不可能同时满足上面四个等式。

这很简单,我们把右侧后三个等式异或起来,就可以得到

fA(0)⊕fB(0)⊕fC(0)=1,f_A(0)\oplus f_B(0)\oplus f_C(0) = 1,

这和右侧第一个等式矛盾,所以不存在这样的fA,fB,fCf_A,f_B,f_C 同时满足四个等式。

因此确定策略(fA,fB,fCf_A,f_B,f_C)后,至少有 1/4 的概率输掉这个 game。


但是量子情形不一样,我们允许 Alice、Bob 和 Charlie 在游戏开始前共享一个 GHZ 态

∣GHZ⟩=∣000⟩+∣111⟩2.|\text{GHZ}\rangle = \frac{|000\rangle + |111\rangle}{\sqrt{2}}.

Alice、Bob 和 Charlie 采取同样的策略:如果输入是 0,那么对自己的 qubit 作 X-basis 测量;否则作 Y-basis 测量。如果策略结果是 + 1,那么输出 0;否则输出 1。

下面我们验证这个策略会以 100% 的概率赢得这个 game。

令A,B,C=±1A,B,C=\pm 1 分别是策略的结果,那么根据策略,赢的情况a⊕b⊕c=x∨y∨za\oplus b\oplus c=x\lor y\lor z 等价于

A⋅B⋅C=(−1)x∨y∨z.A\cdot B\cdot C = (-1)^{x\lor y \lor z}.

注意到,我们有如下恒等式

X⊗X⊗X∣GHZ⟩=+∣GHZ⟩,X⊗Y⊗Y∣GHZ⟩=−∣GHZ⟩,Y⊗X⊗Y∣GHZ⟩=−∣GHZ⟩,Y⊗Y⊗X∣GHZ⟩=−∣GHZ⟩.\begin{aligned} & X\otimes X\otimes X |\text{GHZ}\rangle = +|\text{GHZ}\rangle, \\ & X\otimes Y\otimes Y |\text{GHZ}\rangle = -|\text{GHZ}\rangle, \\ & Y\otimes X\otimes Y |\text{GHZ}\rangle = -|\text{GHZ}\rangle, \\ & Y\otimes Y\otimes X |\text{GHZ}\rangle = -|\text{GHZ}\rangle. \\ \end{aligned}

换句话说,输入是000000 时,∣GHZ⟩|\text{GHZ}\rangle 是X⊗X⊗XX\otimes X\otimes X 的本征值为+1+1 的本征态;输入是011,101,110011,101,110 时,∣GHZ⟩|\text{GHZ}\rangle 是对应的 operator 的本征值为−1-1 的本征态。

而A⋅B⋅CA\cdot B \cdot C 的值,正是测量上面三个 tensor 起来的 operator 的结果。

因此,A⋅B⋅C=1A\cdot B\cdot C=1 如果输入是000000;否则A⋅B⋅C=−1A\cdot B\cdot C=-1。也就是说,这个策略总是赢得这个 game。

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