Quantum state tomography (QST), the process of reconstructing some unknown quantum state $\hat\rho$ from repeated measurements on copies of said state, is a foundationally important task in the context of quantum computation and simulation. For this reason, a detailed characterization of the error $\Delta\hat\rho = \hat\rho-\hat\rho^\prime$ in a QST reconstruction $\hat\rho^\prime$ is of clear importance to quantum theory and experiment. In this work, we develop a fully random matrix theory (RMT) treatment of state tomography in informationally-complete bases; and in doing so we reveal deep connections between QST errors $\Delta\hat\rho$ and the gaussian unitary ensemble (GUE). By exploiting this connection we prove that wide classes of functions of the spectrum of $\Delta\hat\rho$ can be evaluated by substituting samples of an appropriate GUE for realizations of $\Delta\hat\rho$. This powerful and flexible result enables simple analytic treatments of the mean value and variance of the error as quantified by the trace distance $\|\Delta\hat\rho\|_\mathrm{Tr}$ (which we validate numerically for common tomographic protocols), allows us to derive a bound on the QST sample complexity, and subsequently demonstrate that said bound doesn't change under the most widely-used rephysicalization procedure. These results collectively demonstrate the flexibility, strength, and broad applicability of our approach; and lays the foundation for broader studies of RMT treatments of QST in the future.


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随着科学技术的迅速发展,古典的线性代数知识已不能满足现代科技的需要,矩阵的理论和方法业已成为现代科技领域必不可少的工具。诸如数值分析、优化理论、微分方程、概率统计、控制论、力学、电子学、网络等学科领域都与矩阵理论有着密切的联系,甚至在经济管理、金融、保险、社会科学等领域,矩阵理论和方法也有着十分重要的应用。当今电子计算机及计算技术的迅速发展为矩阵理论的应用开辟了更广阔的前景。因此,学习和掌握矩阵的基本理论和方法,对于工科研究生来说是必不可少的。全国的工科院校已普遍把“矩阵论”作为研究生的必修课。
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