Semidefinite relaxations of polynomial optimization have become a central tool for addressing the non-convex optimization problems over non-commutative operators that are ubiquitous in quantum information theory and, more in general, quantum physics. Yet, as these global relaxation methods rely on floating-point methods, the bounds issued by the semidefinite solver can - and often do - exceed the global optimum, undermining their certifiability. To counter this issue, we introduce a rigorous framework for extracting exact rational bounds on non-commutative optimization problems from numerical data, and apply it to several paradigmatic problems in quantum information theory. An extension to sparsity and symmetry-adapted semidefinite relaxations is also provided and compared to the general dense scheme. Our results establish rational post-processing as a practical route to reliable certification, pushing semidefinite optimization toward a certifiable standard for quantum information science.


翻译:多项式优化的半定松弛已成为解决量子信息理论乃至更广泛的量子物理中普遍存在的非交换算子非凸优化问题的核心工具。然而,由于这些全局松弛方法依赖于浮点运算,半定规划求解器给出的界可能——且常常确实——超过全局最优值,从而削弱了其可验证性。为应对此问题,我们提出了一种从数值数据中提取非交换优化问题精确有理界的严格框架,并将其应用于量子信息理论中的若干典型问题。本文还提供了针对稀疏性与对称性适配的半定松弛的扩展,并与一般的稠密方案进行了比较。我们的研究结果确立了有理后处理作为实现可靠验证的实用途径,推动半定优化朝着量子信息科学可验证标准的方向发展。

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