做量子信息和矩阵分析相关工作时,碰到 S(A||B)=Tr[A(logA-logB)] 这种公式几乎是绕不开的。我第一次认真算这个量,是在比较两个量子信道输出态的差异,本以为套一个矩阵距离就能收工,结果发现它既不对称,又在某些情况下一旦超出支撑集直接给正无穷,数值上还很挑实现方式。后来才意识到,标题里说的“矩阵算子 A 与矩阵算子 B 的相对熵”,本质上就是把经典概率分布之间的 KL 散度推广到密度矩阵这类算子上,但要真正用对,里面藏着不少课本上不会展开讲的细节。
这篇内容适合几类读者:正在读量子信息教材、被相对熵证明卡住的人;做矩阵计算、最近要处理量子态相似度或信道容量的工程师;以及纯粹想知道“矩阵函数怎么进入信息论”的数学爱好者。下面我会把推广逻辑、定义前提、核心性质、一个能手工验证的数值例子,以及我实际踩过的坑串在一起讲,保证从公式到代码都能复现。
1. 从概率向量到密度算子:相对熵是怎么推广过来的
1.1 经典 KL 散度先画好一条迁移路线
先回到最熟悉的有限概率分布。设离散随机变量取值有概率分布 p=(p_1,...,p_n)、q=(q_i,...,q_n),二者都严格为正时,经典相对熵,也就是 KL 散度定义为:
$$
D(p|q)=\sum_{i=1}^{n}p_i\ln\frac{p_i}{q_i}.
$$
它回答的问题是:如果真实分布是 p,但我错误地用 q 作为编码模型,平均会多付出多少比特,或者说会带来多少额外惊讶。当某个 i 满足 p_i>0 而 q_i=0,那么这一项贡献是正无穷,因为“一个真实可能发生的事件在你假设的模型里被宣判为不可能”,这件事在信息论尺度上就是无法原谅的。
这个定义看起来只涉及“求和”和“标量对数”,但它是后续所有矩阵推广的模板。进入量子世界后,概率向量被替换成密度矩阵,求和被替换成求迹,标量对数被替换成矩阵对数。这个迁移看起来机械,实际是有严格物理动机的。
1.2 用迹与矩阵对数替代求和与标量对数
有限维量子系统里,一个状态用密度算子 ρ 描述,满足三个条件:Hermitian、半正定、迹等于 1。这种对象既是算子也是矩阵,特征值构成一个合法的概率分布,所以 von Neumann 熵:
$$
H(\rho)=-\operatorname{Tr}[\rho\ln\rho]
$$
实际上是经典香农熵在特征值意义上的自然推广,只是“和下标相加”变成了“对算子整体求迹”。
同样地,两个密度算子 A、B 之间的相对熵定义成:
$$
S(A|B)=\operatorname{Tr}[A(\ln A-\ln B)].
$$
公式里 A 是真实状态,B 是参考状态或猜测状态。物理上常见记号是 ρ、σ,不过矩阵分析文献里也常直接用 A、B,所以标题写成“矩阵算子 A 与矩阵算子 B 的相对熵”很准确——研究对象确实是两个矩阵算子,而不只是两个概率向量。
1.3 为什么标题里说的是矩阵算子而不是普通矩阵
这里有一个值得强调的点:矩阵算子和普通数字矩阵在代数性质上没有区别,但在解释层面强调算子视角是很重要的。相对熵关心的是“状态”,而状态在量子力学里是作用在 Hilbert 空间上的算子。A、B 的正定性、迹归一化,都不是可有可无的装饰。
如果把 A、B 理解成一般正定矩阵而不是密度算子,公式依然可以算。例如在矩阵分析里,正定矩阵的 log 定义清晰,相对熵可以当作一种“矩阵散度”使用。但问题马上就来了:如果没有迹等于 1 的限制,这个量还能保证非负吗?答案是不能,这一点我后面会专门说。所以先记住最安全的使用场景:A、B 是密度矩阵,迹都是 1。
从经典到量子的替换逻辑,我习惯用这张表来记:
| 经典概念 | 量子对应 | 备注 |
|---|---|---|
| 概率分布 p | 密度算子 ρ | 半正定且迹为 1 |
| 标量求和 Σ | 求迹 Tr | 对算子作用后取迹 |
| 标量对数 ln x | 矩阵对数 ln X | 谱分解后对特征值取对数 |
| KL 散度 D(p‖q) | 相对熵 S(ρ‖σ) | 定义为 Tr[ρ(lnρ−lnσ)] |
你会发现,很多量子信息定理其实就是把经典定理中的 Σ 和 log 改写成 Tr 和 ln,但真正的难度来自矩阵乘法的不可交换性。
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2. 一个干净定义背后藏着三个容易忽略的前提
2.1 支撑集条件:什么时候答案直接是正无穷
经典 KL 散度里有“如果 p_i>0 但 q_i=0,则结果为 ∞”。量子版本也有同样的逻辑,只不过是用支撑集来表达。
对半正定矩阵来说,支撑集就是它正特征值对应的本征空间,通俗说就是“这个算子在他所处的空间里真正占据的那些方向”。量子相对熵 S(A||B) 要有限,必须满足:
$$
\operatorname{supp}(A)\subseteq \operatorname{supp}(B).
$$
也就是说,A 的所有“活跃方向”都必须存在于 B 的活跃方向里。如果 A 在某个方向上有分量,但 B 在该方向上是零矩阵,那么 S(A||B)=∞。
这个条件的物理含义很直观:真实状态 A 落在某个 Hilbert 空间子空间里,但参考状态 B 完全不知道那个子空间的存在,于是用 B 去描述 A 会产生无限大的惊讶。数值上这一条也特别容易出问题,如果你用 scipy 的 logm 硬算一个奇异矩阵的对数,会得到 nan 或警告,而数学答案其实是正无穷,不是某个很大的数。这一点会在后面数值坑专门讲。
2.2 矩阵对数不是逐元素取对数
第二个易错点是矩阵对数本身。很多初学的人看到 lnB,以为就是把 B 的每个元素取对数,这完全不对。矩阵函数 lnB 的定义依赖于谱分解:如果
$$
B=\sum_{i}\lambda_i P_i,
$$
其中 λ_i 是 B 的特征值,P_i 是对应投影矩阵,那么
$$
\ln B=\sum_{i}(\ln\lambda_i)P_i.
$$
也就是说,矩阵对数作用于整个算子结构,特征向量也参与了计算。对易的两个矩阵可以同时对角化,这时候矩阵对数退化成逐特征值取 log;但 A、B 一旦不对易,情况就完全不同。相对熵之所以比经典 KL 散度复杂,根源就在这里。
另一个容易混淆的点是:公式中写的是 A(lnA−lnB),A 与 lnA−lnB 之间是矩阵乘法,不是逐元素乘法。由于矩阵乘法不交换,理论推导里经常需要小心处理顺序。好在最终要取迹,而迹具有循环性,所以部分计算中顺序可以调整,但要明白你处理的是算子,不是数组。
2.3 迹归一化到底能不能省
我见过不少工程代码直接拿两个未归一化的正定矩阵算相对熵,结果算出负值,然后怀疑公式写错了。实际上如果 A、B 的迹不相等,这个量完全可以为负,因为它不再是标准意义上的相对熵。
可以做一个快速推导。设 A、B 都是密度矩阵,那么由后面的 Klein 不等式可以得到 S(A||B)≥0。但如果你想用放大的矩阵 aA 和 bB,注意:
$$
S(aA|bB)=\operatorname{Tr}[aA(\ln(aA)-\ln(bB))]
=aS(A|B)+a\ln\frac{a}{b}.
$$
如果 a/b 偏离 1 足够远,第二项会把结果压成负数。这说明相对熵对“迹归一化”不是鲁棒的。所以工程上第一件事是先把输入矩阵分别除以各自的迹,或者干脆只用密度矩阵。不要把相对熵当成一个对缩放无关的距离量。
3. 为什么这个量能在矩阵分析里站得住:三条核心性质串讲
3.1 Klein 不等式给出非负性和零点
相对熵能被称为“熵”,最重要的性质是非负,且当且仅当 A=B 时等于 0。
证明思路不复杂,核心工具是矩阵分析里的 Klein 不等式。设 f 是可微凸函数,A、B 是谱落在 f 定义区间内的 Hermitian 矩阵,则:
$$
\operatorname{Tr}[f(A)]-\operatorname{Tr}[f(B)]
\geq \operatorname{Tr}[(A-B)f'(B)].
$$
取 f(t)=t\ln t,则 f'(t)=\ln t+1,代入后整理就得到:
$$
\operatorname{Tr}[A(\ln A-\ln B)]\geq \operatorname{Tr}(A-B).
$$
如果 A、B 都是密度矩阵,Tr(A−B)=0,所以:
$$
S(A|B)\geq 0.
$$
而且等号成立的条件是 A=B。这个定理在文献里常被单独称作 Klein 不等式,是相对熵非负性最标准的证明路径。
如果 A、B 对易,也就是可以同时对角化,其实我们可以更简单地把它化成经典 KL 散度。在共同本征基底下,A 变成概率向量 p,B 变成 q,S(A||B) 就是 D(p||q),于是经典 Jensen 不等式已经足够。真正的挑战在于 A、B 不对易,这时矩阵函数的凸性分析要比标量情形复杂得多,Klein 不等式是更通用的工具。
3.2 CPTP 映射下的单调性:数据压缩不等式
相对熵最有价值的性质之一是“单调性”:任何量子操作都不应该让两个状态更容易区分。形式上,设 Φ 是一个完全正且保迹的映射,也就是量子信道,那么:
$$
S(\rho|\sigma)\geq S(\Phi(\rho)|\Phi(\sigma)).
$$
这个不等式在文献里叫数据处理不等式,或者相对熵单调性。物理上特别自然:你进行一次测量、丢弃部分系统、做噪声信道传输,都不应该增加两个量子态的区分度。信息只会丢失,不会凭空变多。
这条性质的推论很多。比如部分求迹就是一类典型的量子信道,所以相对熵在取部分迹后一定减小;酉变换是保迹信道,但酉变换前后相对熵不变。这也是为什么很多量子信息协议里用相对熵作为资源度量——它在可逆操作下不变,在不可逆操作下不增,正好符合资源论的直觉。
需要提醒一句,这个单调性对“非保迹”的完全正映射不一定成立。实际代码里如果用了不归一化的滤波器,或者只保留某一部分测量结果,必须先做迹归一化再讨论单调性。
3.3 联合凸性:混合不会让区分度变容易
第三条核心性质是联合凸性。对任意概率分布 λ_k,有:
$$
S\left(\sum_k\lambda_k\rho_k;\Big|;\sum_k\lambda_k\sigma_k\right)
\leq \sum_k\lambda_k S(\rho_k|\sigma_k).
$$
这个式子的意思是:如果先按概率 λ_k 随机准备一对状态 (ρ_k,σ_k),再把两组的混合态拿去做比较,混合后的“可区分度”不会大于混合前的平均可区分度。换句话说,随机混合会丢失个体差异信息,这是一种带噪声的粗粒化,自然不应该增加相对熵。
联合凸性也是很多证明的起点。量子信道容量的上界、量子失协的计算、相对熵纠缠度量的下界,背后都要用到它。值得注意的是,单看第一个参数的凸性比较简单,但联合凸性要同时处理两个参数,这个结果是 Lieb 在 1973 年用复分析里的插值定理证明的,难度比 Klein 不等式高一个量级。使用阶段不用自己复现证明,但要清楚这个性质的存在,才能在阅读论文时跟上推导。
4. 2×2 密度矩阵手工算一遍:理解非对易带来的差别
4.1 对角情形:退化成经典 KL 散度
先从最好算的情形开始。取
$$
A=\begin{pmatrix}0.8&0\0&0.2\end{pmatrix},
\quad
B_0=\begin{pmatrix}0.7&0\0&0.3\end{pmatrix}.
$$
A、B_0 都是对角矩阵,共同本征基就是标准基。这时:
$$
S(A|B_0)
=0.8\ln\frac{0.8}{0.7}+0.2\ln\frac{0.2}{0.3}.
$$
数值上,第 1 项是 0.8×0.1335=0.1068,第 2 项是 0.2×(−0.4055)=−0.0811,加起来大约是 0.0257 nats。这个结果和你用经典 KL 公式算完全一样。
4.2 带非对角的 B:矩阵对数要做谱分解
如果保持 A 不变,把参考状态改成带相干项的:
$$
B=\begin{pmatrix}0.7&0.1\0.1&0.3\end{pmatrix}.
$$
B 依然是一个合法的密度矩阵:迹 1、对称、正定。但是 A 和 B 不再对易,不能直接逐元素取对数。这时候需要先对 B 做谱分解。
B 的特征多项式是 λ^2−λ+0.2=0,所以:
$$
\lambda_1=\frac{1+\sqrt{0.2}}{2}\approx 0.7236,
\quad
\lambda_2=\frac{1-\sqrt{0.2}}{2}\approx 0.2764.
$$
对应的自然对数为:
$$
\ln\lambda_1\approx -0.3236,\quad \ln\lambda_2\approx -1.2859.
$$
算出特征向量并组装后,B 的矩阵对数近似为:
$$
\ln B\approx
\begin{pmatrix}-0.3745&0.2151\0.2151&-1.2351\end{pmatrix}.
$$
注意 lnB 并不是逐元素取 log,甚至非对角元素不为 0 也没有关系,这就是矩阵函数和普通函数的差别。
接着算 A\ln A:
$$
A\ln A=
\begin{pmatrix}0.8\ln0.8&0\0&0.2\ln0.2\end{pmatrix}
\approx
\begin{pmatrix}-0.1785&0\0&-0.3219\end{pmatrix}.
$$
于是:
$$
\operatorname{Tr}[A\ln A]\approx -0.5004.
$$
再算 A\ln B 的迹:
$$
\operatorname{Tr}[A\ln B]
\approx 0.8\times(-0.3745)+0.2\times(-1.2351)
\approx -0.5466.
$$
最后:
$$
S(A|B)=\operatorname{Tr}[A(\ln A-\ln B)]
=\operatorname{Tr}[A\ln A]-\operatorname{Tr}[A\ln B]
\approx 0.0462\ \text{nats}.
$$
这个结果很有意思。对角版本 B_0 给出的相对熵只有 0.0257 nats,而带非对角项的 B 给出的相对熵是 0.0462 nats。也就是说,仅仅在 B 中引入相干项,就让 B 和 A 之间的相对熵变大了。这符合直觉:非对易本身是额外的“可区分特征”,A 和 B 不在同一个本征基下,差异自然更大。
4.3 用 Python 验证并处理大规模情形
手工算完以后,用代码验证非常快:
python复制import numpy as np
from scipy.linalg import logm
A = np.array([[0.8, 0.0], [0.0, 0.2]])
B = np.array([[0.7, 0.1], [0.1, 0.3]])
def rel_ent(rho, sigma):
return np.real(np.trace(rho @ (logm(rho) - logm(sigma))))
print(rel_ent(A, B)) # 约 0.0462
print(rel_ent(B, A)) # 约 0.0493
如果你在算更大的半正定矩阵,我建议不要用 logm 直接处理半正定边界上的矩阵。对 Hermitian 半正定矩阵,更稳的方式是用特征分解:
python复制def logm_psd(X):
vals, vecs = np.linalg.eigh(X)
log_vals = np.zeros_like(vals)
nz = vals > 1e-15
log_vals[nz] = np.log(vals[nz])
return vecs @ np.diag(log_vals) @ vecs.conj().T
然后用这个函数替换 logm。因为相对熵计算中,遇到 0\ln0 这类项时,正确的约定是把它当 0 处理,而不是真的取 log(0)。但要注意
