Relative entropy is the standard measure of distinguishability in classical and quantum information theory. In the classical case, its loss under channels admits an exact chain rule, while in the quantum case only asymptotic, regularized chain rules are known. We establish new chain rules for quantum relative entropy that apply already in the single-copy regime. The first inequality is obtained via POVM decompositions, extending the point distributions in the classical chain rule to quantum ensemble partitions. The second gives a sufficient condition for the most natural extension of the classical result, which uses projectors as a analog for the classical point distributions. We additionally find a semiclassical chain rule where the point distributions are replaced with the projectors of the initial states, and, finally, we find a relation to previous works on strengthened data processing inequalities and recoverability. These results show that meaningful chain inequalities are possible already at the single-copy level, but they also highlight that tighter bounds remain to be found.


翻译:相对熵是经典与量子信息论中可区分性的标准度量。在经典情形下,其通过信道的损失满足精确的链式法则,而在量子情形中,目前仅知渐近、正则化的链式法则。我们建立了适用于单拷贝情形的量子相对熵新链式法则。第一个不等式通过POVM分解得到,将经典链式法则中的点分布推广至量子系综划分。第二个不等式给出了经典结果最自然推广的充分条件,该推广使用投影算子作为经典点分布的类比。此外,我们得到了一个半经典链式法则,其中点分布被初始态的投影算子取代;最后,我们建立了与先前关于强化数据处理不等式及可恢复性研究的联系。这些结果表明,有意义的链式不等式在单拷贝层面即可能存在,同时也凸显出更紧致的界仍有待发现。

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