Metamath Proof Explorer


Theorem unierri

Description: If we approximate a chain of unitary transformations (quantum computer gates) F , G by other unitary transformations S , T , the error increases at most additively. Equation 4.73 of NielsenChuang p. 195. (Contributed by NM, 10-Mar-2006) (New usage is discouraged.)

Ref Expression
Hypotheses unierr.1 ⊢ F ∈ UniOp
unierr.2 ⊢ G ∈ UniOp
unierr.3 ⊢ S ∈ UniOp
unierr.4 ⊢ T ∈ UniOp
Assertion unierri ⊢ norm op ⁡ F ∘ G - op S ∘ T ≤ norm op ⁡ F - op S + norm op ⁡ G - op T

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 unierr.1 ⊢ F ∈ UniOp
2 unierr.2 ⊢ G ∈ UniOp
3 unierr.3 ⊢ S ∈ UniOp
4 unierr.4 ⊢ T ∈ UniOp
5 unopbd ⊢ F ∈ UniOp → F ∈ BndLinOp
6 1 5 ax-mp ⊢ F ∈ BndLinOp
7 bdopf ⊢ F ∈ BndLinOp → F : ℋ ⟶ ℋ
8 6 7 ax-mp ⊢ F : ℋ ⟶ ℋ
9 unopbd ⊢ G ∈ UniOp → G ∈ BndLinOp
10 2 9 ax-mp ⊢ G ∈ BndLinOp
11 bdopf ⊢ G ∈ BndLinOp → G : ℋ ⟶ ℋ
12 10 11 ax-mp ⊢ G : ℋ ⟶ ℋ
13 8 12 hocofi ⊢ F ∘ G : ℋ ⟶ ℋ
14 unopbd ⊢ S ∈ UniOp → S ∈ BndLinOp
15 3 14 ax-mp ⊢ S ∈ BndLinOp
16 bdopf ⊢ S ∈ BndLinOp → S : ℋ ⟶ ℋ
17 15 16 ax-mp ⊢ S : ℋ ⟶ ℋ
18 unopbd ⊢ T ∈ UniOp → T ∈ BndLinOp
19 4 18 ax-mp ⊢ T ∈ BndLinOp
20 bdopf ⊢ T ∈ BndLinOp → T : ℋ ⟶ ℋ
21 19 20 ax-mp ⊢ T : ℋ ⟶ ℋ
22 17 21 hocofi ⊢ S ∘ T : ℋ ⟶ ℋ
23 13 22 hosubcli ⊢ F ∘ G - op S ∘ T : ℋ ⟶ ℋ
24 nmop0h ⊢ ℋ = 0 ℋ ∧ F ∘ G - op S ∘ T : ℋ ⟶ ℋ → norm op ⁡ F ∘ G - op S ∘ T = 0
25 23 24 mpan2 ⊢ ℋ = 0 ℋ → norm op ⁡ F ∘ G - op S ∘ T = 0
26 0le0 ⊢ 0 ≤ 0
27 00id ⊢ 0 + 0 = 0
28 26 27 breqtrri ⊢ 0 ≤ 0 + 0
29 8 17 hosubcli ⊢ F - op S : ℋ ⟶ ℋ
30 nmop0h ⊢ ℋ = 0 ℋ ∧ F - op S : ℋ ⟶ ℋ → norm op ⁡ F - op S = 0
31 29 30 mpan2 ⊢ ℋ = 0 ℋ → norm op ⁡ F - op S = 0
32 12 21 hosubcli ⊢ G - op T : ℋ ⟶ ℋ
33 nmop0h ⊢ ℋ = 0 ℋ ∧ G - op T : ℋ ⟶ ℋ → norm op ⁡ G - op T = 0
34 32 33 mpan2 ⊢ ℋ = 0 ℋ → norm op ⁡ G - op T = 0
35 31 34 oveq12d ⊢ ℋ = 0 ℋ → norm op ⁡ F - op S + norm op ⁡ G - op T = 0 + 0
36 28 35 breqtrrid ⊢ ℋ = 0 ℋ → 0 ≤ norm op ⁡ F - op S + norm op ⁡ G - op T
37 25 36 eqbrtrd ⊢ ℋ = 0 ℋ → norm op ⁡ F ∘ G - op S ∘ T ≤ norm op ⁡ F - op S + norm op ⁡ G - op T
38 17 12 hocofi ⊢ S ∘ G : ℋ ⟶ ℋ
39 13 38 22 honpncani ⊢ F ∘ G - op S ∘ G + op S ∘ G - op S ∘ T = F ∘ G - op S ∘ T
40 39 fveq2i ⊢ norm op ⁡ F ∘ G - op S ∘ G + op S ∘ G - op S ∘ T = norm op ⁡ F ∘ G - op S ∘ T
41 6 10 bdopcoi ⊢ F ∘ G ∈ BndLinOp
42 15 10 bdopcoi ⊢ S ∘ G ∈ BndLinOp
43 41 42 bdophdi ⊢ F ∘ G - op S ∘ G ∈ BndLinOp
44 15 19 bdopcoi ⊢ S ∘ T ∈ BndLinOp
45 42 44 bdophdi ⊢ S ∘ G - op S ∘ T ∈ BndLinOp
46 43 45 nmoptrii ⊢ norm op ⁡ F ∘ G - op S ∘ G + op S ∘ G - op S ∘ T ≤ norm op ⁡ F ∘ G - op S ∘ G + norm op ⁡ S ∘ G - op S ∘ T
47 8 17 12 hocsubdiri ⊢ F - op S ∘ G = F ∘ G - op S ∘ G
48 47 fveq2i ⊢ norm op ⁡ F - op S ∘ G = norm op ⁡ F ∘ G - op S ∘ G
49 6 15 bdophdi ⊢ F - op S ∈ BndLinOp
50 49 10 nmopcoi ⊢ norm op ⁡ F - op S ∘ G ≤ norm op ⁡ F - op S ⁢ norm op ⁡ G
51 48 50 eqbrtrri ⊢ norm op ⁡ F ∘ G - op S ∘ G ≤ norm op ⁡ F - op S ⁢ norm op ⁡ G
52 bdopln ⊢ S ∈ BndLinOp → S ∈ LinOp
53 15 52 ax-mp ⊢ S ∈ LinOp
54 53 12 21 hoddii ⊢ S ∘ G - op T = S ∘ G - op S ∘ T
55 54 fveq2i ⊢ norm op ⁡ S ∘ G - op T = norm op ⁡ S ∘ G - op S ∘ T
56 10 19 bdophdi ⊢ G - op T ∈ BndLinOp
57 15 56 nmopcoi ⊢ norm op ⁡ S ∘ G - op T ≤ norm op ⁡ S ⁢ norm op ⁡ G - op T
58 55 57 eqbrtrri ⊢ norm op ⁡ S ∘ G - op S ∘ T ≤ norm op ⁡ S ⁢ norm op ⁡ G - op T
59 nmopre ⊢ F ∘ G - op S ∘ G ∈ BndLinOp → norm op ⁡ F ∘ G - op S ∘ G ∈ ℝ
60 43 59 ax-mp ⊢ norm op ⁡ F ∘ G - op S ∘ G ∈ ℝ
61 nmopre ⊢ S ∘ G - op S ∘ T ∈ BndLinOp → norm op ⁡ S ∘ G - op S ∘ T ∈ ℝ
62 45 61 ax-mp ⊢ norm op ⁡ S ∘ G - op S ∘ T ∈ ℝ
63 nmopre ⊢ F - op S ∈ BndLinOp → norm op ⁡ F - op S ∈ ℝ
64 49 63 ax-mp ⊢ norm op ⁡ F - op S ∈ ℝ
65 nmopre ⊢ G ∈ BndLinOp → norm op ⁡ G ∈ ℝ
66 10 65 ax-mp ⊢ norm op ⁡ G ∈ ℝ
67 64 66 remulcli ⊢ norm op ⁡ F - op S ⁢ norm op ⁡ G ∈ ℝ
68 nmopre ⊢ S ∈ BndLinOp → norm op ⁡ S ∈ ℝ
69 15 68 ax-mp ⊢ norm op ⁡ S ∈ ℝ
70 nmopre ⊢ G - op T ∈ BndLinOp → norm op ⁡ G - op T ∈ ℝ
71 56 70 ax-mp ⊢ norm op ⁡ G - op T ∈ ℝ
72 69 71 remulcli ⊢ norm op ⁡ S ⁢ norm op ⁡ G - op T ∈ ℝ
73 60 62 67 72 le2addi ⊢ norm op ⁡ F ∘ G - op S ∘ G ≤ norm op ⁡ F - op S ⁢ norm op ⁡ G ∧ norm op ⁡ S ∘ G - op S ∘ T ≤ norm op ⁡ S ⁢ norm op ⁡ G - op T → norm op ⁡ F ∘ G - op S ∘ G + norm op ⁡ S ∘ G - op S ∘ T ≤ norm op ⁡ F - op S ⁢ norm op ⁡ G + norm op ⁡ S ⁢ norm op ⁡ G - op T
74 51 58 73 mp2an ⊢ norm op ⁡ F ∘ G - op S ∘ G + norm op ⁡ S ∘ G - op S ∘ T ≤ norm op ⁡ F - op S ⁢ norm op ⁡ G + norm op ⁡ S ⁢ norm op ⁡ G - op T
75 43 45 bdophsi ⊢ F ∘ G - op S ∘ G + op S ∘ G - op S ∘ T ∈ BndLinOp
76 nmopre ⊢ F ∘ G - op S ∘ G + op S ∘ G - op S ∘ T ∈ BndLinOp → norm op ⁡ F ∘ G - op S ∘ G + op S ∘ G - op S ∘ T ∈ ℝ
77 75 76 ax-mp ⊢ norm op ⁡ F ∘ G - op S ∘ G + op S ∘ G - op S ∘ T ∈ ℝ
78 60 62 readdcli ⊢ norm op ⁡ F ∘ G - op S ∘ G + norm op ⁡ S ∘ G - op S ∘ T ∈ ℝ
79 67 72 readdcli ⊢ norm op ⁡ F - op S ⁢ norm op ⁡ G + norm op ⁡ S ⁢ norm op ⁡ G - op T ∈ ℝ
80 77 78 79 letri ⊢ norm op ⁡ F ∘ G - op S ∘ G + op S ∘ G - op S ∘ T ≤ norm op ⁡ F ∘ G - op S ∘ G + norm op ⁡ S ∘ G - op S ∘ T ∧ norm op ⁡ F ∘ G - op S ∘ G + norm op ⁡ S ∘ G - op S ∘ T ≤ norm op ⁡ F - op S ⁢ norm op ⁡ G + norm op ⁡ S ⁢ norm op ⁡ G - op T → norm op ⁡ F ∘ G - op S ∘ G + op S ∘ G - op S ∘ T ≤ norm op ⁡ F - op S ⁢ norm op ⁡ G + norm op ⁡ S ⁢ norm op ⁡ G - op T
81 46 74 80 mp2an ⊢ norm op ⁡ F ∘ G - op S ∘ G + op S ∘ G - op S ∘ T ≤ norm op ⁡ F - op S ⁢ norm op ⁡ G + norm op ⁡ S ⁢ norm op ⁡ G - op T
82 40 81 eqbrtrri ⊢ norm op ⁡ F ∘ G - op S ∘ T ≤ norm op ⁡ F - op S ⁢ norm op ⁡ G + norm op ⁡ S ⁢ norm op ⁡ G - op T
83 nmopun ⊢ ℋ ≠ 0 ℋ ∧ G ∈ UniOp → norm op ⁡ G = 1
84 2 83 mpan2 ⊢ ℋ ≠ 0 ℋ → norm op ⁡ G = 1
85 84 oveq2d ⊢ ℋ ≠ 0 ℋ → norm op ⁡ F - op S ⁢ norm op ⁡ G = norm op ⁡ F - op S ⋅ 1
86 64 recni ⊢ norm op ⁡ F - op S ∈ ℂ
87 86 mulridi ⊢ norm op ⁡ F - op S ⋅ 1 = norm op ⁡ F - op S
88 85 87 eqtrdi ⊢ ℋ ≠ 0 ℋ → norm op ⁡ F - op S ⁢ norm op ⁡ G = norm op ⁡ F - op S
89 nmopun ⊢ ℋ ≠ 0 ℋ ∧ S ∈ UniOp → norm op ⁡ S = 1
90 3 89 mpan2 ⊢ ℋ ≠ 0 ℋ → norm op ⁡ S = 1
91 90 oveq1d ⊢ ℋ ≠ 0 ℋ → norm op ⁡ S ⁢ norm op ⁡ G - op T = 1 ⁢ norm op ⁡ G - op T
92 71 recni ⊢ norm op ⁡ G - op T ∈ ℂ
93 92 mullidi ⊢ 1 ⁢ norm op ⁡ G - op T = norm op ⁡ G - op T
94 91 93 eqtrdi ⊢ ℋ ≠ 0 ℋ → norm op ⁡ S ⁢ norm op ⁡ G - op T = norm op ⁡ G - op T
95 88 94 oveq12d ⊢ ℋ ≠ 0 ℋ → norm op ⁡ F - op S ⁢ norm op ⁡ G + norm op ⁡ S ⁢ norm op ⁡ G - op T = norm op ⁡ F - op S + norm op ⁡ G - op T
96 82 95 breqtrid ⊢ ℋ ≠ 0 ℋ → norm op ⁡ F ∘ G - op S ∘ T ≤ norm op ⁡ F - op S + norm op ⁡ G - op T
97 37 96 pm2.61ine ⊢ norm op ⁡ F ∘ G - op S ∘ T ≤ norm op ⁡ F - op S + norm op ⁡ G - op T