<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?><rss version="2.0" xmlns:content="http://purl.org/rss/1.0/modules/content/"><channel><title>NitreneGlog</title><description>Soft notes, quiet research, images, and fragments</description><link>https://nitrene.fun/</link><templateTheme>Firefly</templateTheme><templateThemeVersion>6.14.4</templateThemeVersion><templateThemeUrl>https://github.com/CuteLeaf/Firefly</templateThemeUrl><lastBuildDate>October 8, 2026 at 02:55:07 PM</lastBuildDate><item><title>POVM -- Generalized Quantum Measurement</title><link>https://nitrene.fun/posts/General-Quantum-Measurement/</link><guid isPermaLink="true">https://nitrene.fun/posts/General-Quantum-Measurement/</guid><description>POVMs extend the concept of quantum state measurement, laying the foundation for quantum computing and information processing.</description><pubDate>Thu, 24 Sep 2026 00:00:00 GMT</pubDate><content:encoded>&lt;p&gt;As a fundamental concept in quantum information, a positive
operator-valued measure (POVM) extends the traditional projective
description of quantum measurement. Its simple but beautiful
mathematical structure provides a general language for describing
measurement statistics and information extraction. In this article, we try to give a brief introduction to POVMs, and gain some insights into the modern measurement theory.&lt;/p&gt;
&lt;section&gt;&lt;h1&gt;Measure&lt;a href=&quot;#measure&quot;&gt;&lt;span&gt;#&lt;/span&gt;&lt;/a&gt;&lt;/h1&gt;&lt;p&gt;A POVM is an operator-valued analogue of an ordinary probability measure. A positive &lt;strong&gt;Measure&lt;/strong&gt; &lt;span&gt;&lt;span&gt;μ\mu&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;μ&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt; is  a map defined on a measurable space&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;(Ω,Σ)\begin{aligned}
    (\Omega, \Sigma)
\end{aligned}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;Ω&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;Σ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;p&gt;where &lt;span&gt;&lt;span&gt;Ω\Omega&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;Ω&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt; is the sample space and &lt;span&gt;&lt;span&gt;Σ\Sigma&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;Σ&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt; is the &lt;span&gt;&lt;span&gt;σ\sigma&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;σ&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;-algebra of measurable subsets of &lt;span&gt;&lt;span&gt;Ω\Omega&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;Ω&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;.&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;μ:Σ→[0,+∞]\begin{aligned}
    \mu: \Sigma \to [0, +\infty]
\end{aligned}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;μ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;:&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;Σ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;→&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;[&lt;/span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;+&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∞&lt;/span&gt;&lt;span&gt;]&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;p&gt;satisfying the following properties:&lt;/p&gt;&lt;ul&gt;
&lt;li&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;μ(∅)=0\mu(\emptyset) = 0&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;μ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∅&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/li&gt;
&lt;li&gt;For any sequence of disjoint sets &lt;span&gt;&lt;span&gt;{An}n=1∞⊂Σ\{A_n\}_{n=1}^{\infty} \subset \Sigma&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;{&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;A&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;n&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;n&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∞&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⊂&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;Σ&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;, we have
&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;μ(⋃n=1∞An)=∑n=1∞μ(An)\mu\left(\bigcup_{n=1}^{\infty} A_n\right) = \sum_{n=1}^{\infty} \mu(A_n)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;μ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;n&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;⋃&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∞&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;A&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;n&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;n&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∑&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∞&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;μ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;A&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;n&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;
&lt;/li&gt;
&lt;/ul&gt;&lt;p&gt;A POVM generalizes an ordinary measure by replacing nonnegative real values with positive semidefinite operators.&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E:Σ→B(H)+\begin{aligned}
    E : \Sigma \to \mathcal{B}(\mathcal{H})_+
\end{aligned}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;:&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;Σ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;→&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;B&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;H&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;+&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;p&gt;where &lt;span&gt;&lt;span&gt;B(H)+\mathcal{B}(\mathcal{H})_+&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;B&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;H&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;+&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt; is the set of positive semi-definite bounded operators, &lt;span&gt;&lt;span&gt;{Em}\{E_m\}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;{&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;m&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;}&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt; is the set of positive semi-definite operators on a Hilbert space &lt;span&gt;&lt;span&gt;H\mathcal{H}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;H&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;, satisfying the following properties:&lt;/p&gt;&lt;ul&gt;
&lt;li&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E(⋃mAm)=∑mE(Am)E(\bigcup_{m} A_m) = \sum_{m} E(A_m)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;⋃&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;m&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;A&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;m&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∑&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;m&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;A&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;m&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt; for any disjoint sets &lt;span&gt;&lt;span&gt;{Am}m=1∞⊂Σ\{A_m\}_{m=1}^{\infty} \subset \Sigma&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;{&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;A&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;m&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;m&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∞&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⊂&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;Σ&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/li&gt;
&lt;li&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E(Ω)=IE(\Omega) = I&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;Ω&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;I&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/li&gt;
&lt;/ul&gt;&lt;p&gt;Given a quantum state &lt;span&gt;&lt;span&gt;ρ\rho&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;ρ&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;, the POVM induces an ordinary probability
measure, specifies the statistics of the measurement outcomes&lt;/p&gt;&lt;p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;p(m)=Tr(Emρ)p(m) = Tr(E_m \rho)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;p&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;m&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;T&lt;/span&gt;&lt;span&gt;r&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;m&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;ρ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/p&gt;&lt;p&gt;where &lt;span&gt;&lt;span&gt;ρ\rho&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;ρ&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt; is the density matrix of any quantum state in &lt;span&gt;&lt;span&gt;H\mathcal{H}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;H&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/p&gt;&lt;/section&gt;
&lt;section&gt;&lt;h1&gt;Measurement&lt;a href=&quot;#measurement&quot;&gt;&lt;span&gt;#&lt;/span&gt;&lt;/a&gt;&lt;/h1&gt;&lt;p&gt;With the above definition, a POVM may initially look like nothing more
than a set of operators used to calculate outcome probabilities. But
traditional quantum mechanics already describes measurement using
Hermitian observables and projectors. What, then, does a POVM add? Now let’s talk about the &lt;strong&gt;Measurement&lt;/strong&gt; to see the difference.&lt;/p&gt;&lt;section&gt;&lt;h2&gt;Classical to Quantum Measurement&lt;a href=&quot;#classical-to-quantum-measurement&quot;&gt;&lt;span&gt;#&lt;/span&gt;&lt;/a&gt;&lt;/h2&gt;&lt;p&gt;Built on classical mechanics and probability theory, one of the main topics of classical measurement is “determinism”. In practice, a system is described by a physical theory in these 3 aspects&lt;/p&gt;&lt;ul&gt;
&lt;li&gt;State (what is it)&lt;/li&gt;
&lt;li&gt;Dynamics (how it evolves)&lt;/li&gt;
&lt;li&gt;Measurement (how to observe)&lt;/li&gt;
&lt;/ul&gt;&lt;p&gt;Classical Mechanics tells us that  Newton’s laws give the deterministic path. Measurement is just revealing pre-existing properties. An ideal measurement reads out a property without necessarily changing it.&lt;/p&gt;&lt;p&gt;Quantum Mechanics does not only change the way we describe the state and dynamics, but also add a new bond to the measurement. The outcome of a measurement is an intrinsically probabilistic event. A quantum measurement can also change the state, and the state update depends on how the measurement is physically implemented.&lt;/p&gt;&lt;p&gt;The observable can be described as the sum of projectors &lt;span&gt;&lt;span&gt;PP&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;P&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt; with the eigenvalue &lt;span&gt;&lt;span&gt;omo_m&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;o&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;m&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt; (spectral decomposition):&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;O^=∑momPm\begin{aligned}
    \hat{O} = \sum_{m} o_m P_m
\end{aligned}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;O&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;^&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;m&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∑&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;o&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;m&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;P&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;m&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;p&gt;for a state expanded  in the eigenbasis &lt;span&gt;&lt;span&gt;ϕ=∑mcmψm\phi = \sum_{m} c_m \psi_m&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;ϕ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∑&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;m&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;c&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;m&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ψ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;m&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;,
where&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;O^ψm=omψm\begin{aligned}
    \hat{O} \psi_m = o_m \psi_m
\end{aligned}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;O&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;^&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ψ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;m&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;o&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;m&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ψ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;m&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;p&gt;Suppose we perform a non-degenerate projective measurement and obtain the outcome &lt;span&gt;&lt;span&gt;omo_m&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;o&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;m&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;. Conditioned on this outcome, the state is updated to the corresponding eigenstate &lt;span&gt;&lt;span&gt;∣ψm⟩\ket{\psi_m}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ψ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;m&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;. This is the usual measurement “collapse”.&lt;/p&gt;&lt;p&gt;It is useful to distinguish this conditioned state update from decoherence. If the measurement is performed but its outcome is ignored, the state is instead described by&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ρ⟶∑iPiρPi,\rho \longrightarrow \sum_i P_i \rho P_i,&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;ρ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟶&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;i&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∑&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;P&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;i&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;ρ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;P&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;i&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;p&gt;which removes the coherence between different measurement eigenspaces. The decoherence changes the way we detect the state and decode the Quantum furnished information.&lt;/p&gt;&lt;/section&gt;&lt;section&gt;&lt;h2&gt;General Quantum Measurement&lt;a href=&quot;#general-quantum-measurement&quot;&gt;&lt;span&gt;#&lt;/span&gt;&lt;/a&gt;&lt;/h2&gt;&lt;p&gt;A projective measurement is described by mutually orthogonal
projectors. A POVM relaxes this requirement: its effects only need to
be positive and complete, and they need not be orthogonal or
idempotent.&lt;/p&gt;&lt;p&gt;It is allowed that&lt;/p&gt;&lt;ul&gt;
&lt;li&gt;
&lt;p&gt;non-orthogonal&lt;/p&gt;
&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;EmEn≠0,m≠n\begin{aligned}
    E_m E_n \neq 0, \quad m \neq n
\end{aligned}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;m&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;n&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;m&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;n&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;
&lt;/li&gt;
&lt;li&gt;
&lt;p&gt;non-projective&lt;/p&gt;
&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;Em2≠Em\begin{aligned}
    E_m^2 \neq E_m
\end{aligned}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;m&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;m&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;
&lt;/li&gt;
&lt;/ul&gt;&lt;p&gt;but it is still&lt;/p&gt;&lt;ul&gt;
&lt;li&gt;Complete
&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∑mEm=I\begin{aligned}
    \sum_{m} E_m = I
\end{aligned}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;m&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∑&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;m&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;I&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;
&lt;/li&gt;
&lt;/ul&gt;&lt;p&gt;for example we have an  inefficient detector, it cannot always detect the “occurrence” &lt;span&gt;&lt;span&gt;∣1⟩\ket1&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt; when it really happens.&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E1=η∣1⟩⟨1∣E0=∣0⟩⟨0∣+(1−η)∣1⟩⟨1∣\begin{aligned}
    E_1 &amp;amp;= \eta |1\rangle\langle 1|  \\
    E_0 &amp;amp;= |0\rangle\langle 0|  + (1-\eta) |1\rangle\langle 1| \\
\end{aligned}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;η&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣1&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟨&lt;/span&gt;&lt;span&gt;1∣&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣0&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟨&lt;/span&gt;&lt;span&gt;0∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;+&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;η&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣1&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟨&lt;/span&gt;&lt;span&gt;1∣&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;p&gt;So we can construct any number of POVMs to describe the measurement, not limited by the dimension of the Hilbert space.
A POVM on a &lt;span&gt;&lt;span&gt;dd&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;d&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;-dimensional system may have more than &lt;span&gt;&lt;span&gt;dd&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;d&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt; outcomes.&lt;/p&gt;&lt;/section&gt;&lt;/section&gt;
&lt;section&gt;&lt;h1&gt;Detection&lt;a href=&quot;#detection&quot;&gt;&lt;span&gt;#&lt;/span&gt;&lt;/a&gt;&lt;/h1&gt;&lt;p&gt;Having defined POVMs mathematically, a natural question remains: can every valid POVM be physically realized? Naimark’s dilation theorem answers this question affirmatively. In fact, any POVMs can be realized by a projective measurement with an auxiliary system. &lt;strong&gt;Naimark’s Dilation Theorem&lt;/strong&gt; states the following:&lt;/p&gt;&lt;p&gt;For every POVM &lt;span&gt;&lt;span&gt;{Em}\{E_m\}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;{&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;m&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;}&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt; on a Hilbert space &lt;span&gt;&lt;span&gt;HS\mathcal{H}_S&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;H&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;S&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;, satisfying&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∑mEm=IsEm≥0\begin{aligned}
    \sum_{m} E_m = I_s \\
    E_m \geq 0
\end{aligned}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;m&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∑&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;m&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;I&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;s&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;m&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;≥&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;p&gt;there exists an ancilla &lt;span&gt;&lt;span&gt;HA\mathcal{H}_A&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;H&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;A&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;, an initial ancilla state &lt;span&gt;&lt;span&gt;∣0⟩A\ket{0}_A&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;A&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;, a unitary operator &lt;span&gt;&lt;span&gt;UU&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;U&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt; on &lt;span&gt;&lt;span&gt;HS⊗HA\mathcal{H}_S \otimes \mathcal{H}_A&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;H&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;S&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⊗&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;H&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;A&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;, and a set of projectors &lt;span&gt;&lt;span&gt;{Πm}\{\Pi_m\}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;{&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;Π&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;m&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;}&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/p&gt;&lt;p&gt;such that&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;Pr(m∣ρ)=Tr(Emρ)=Tr(ΠmU(ρ⊗∣0⟩A⟨0∣)U†)\begin{aligned}
    Pr(m|\rho) = Tr(E_m \rho) = Tr(\Pi_m U (\rho \otimes |0\rangle_A \langle 0|) U^\dagger)
\end{aligned}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;P&lt;/span&gt;&lt;span&gt;r&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;m&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;ρ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;T&lt;/span&gt;&lt;span&gt;r&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;m&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;ρ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;T&lt;/span&gt;&lt;span&gt;r&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;Π&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;m&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;U&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;ρ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⊗&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣0&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;A&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟨&lt;/span&gt;&lt;span&gt;0∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;U&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;†&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;p&gt;This looks like:&lt;/p&gt;&lt;ul&gt;
&lt;li&gt;
&lt;p&gt;we have our &lt;span&gt;&lt;span&gt;Em∈Hom(HS)E_m \in Hom(\mathcal{H}_S)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;m&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∈&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;H&lt;/span&gt;&lt;span&gt;o&lt;/span&gt;&lt;span&gt;m&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;H&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;S&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/p&gt;
&lt;/li&gt;
&lt;li&gt;
&lt;p&gt;the embedding operator &lt;span&gt;&lt;span&gt;J:HS→HS⊗HAJ: \mathcal{H}_S \to \mathcal{H}_S \otimes \mathcal{H}_A&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;J&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;:&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;H&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;S&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;→&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;H&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;S&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⊗&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;H&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;A&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt; appends an ancilla in the state &lt;span&gt;&lt;span&gt;∣0⟩A|0\rangle_A&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣0&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;A&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;.&lt;/p&gt;
&lt;/li&gt;
&lt;li&gt;
&lt;p&gt;We take an unitary &lt;span&gt;&lt;span&gt;U∈Hom(HS⊗HA)U \in Hom(\mathcal{H}_S \otimes \mathcal{H}_A)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;U&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∈&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;H&lt;/span&gt;&lt;span&gt;o&lt;/span&gt;&lt;span&gt;m&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;H&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;S&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⊗&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;H&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;A&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt; to transform the state. So &lt;span&gt;&lt;span&gt;V=UJV = UJ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;V&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;U&lt;/span&gt;&lt;span&gt;J&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt; is an isometry, and we have &lt;span&gt;&lt;span&gt;Em=V†ΠmVE_m = V^\dagger \Pi_m V&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;m&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;V&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;†&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;Π&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;m&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;V&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;.&lt;/p&gt;
&lt;/li&gt;
&lt;li&gt;
&lt;p&gt;We perform a projective measurement on the larger tensor-product space, and get the same  outcome statistics.&lt;/p&gt;
&lt;/li&gt;
&lt;/ul&gt;&lt;p&gt;Every POVM can be regarded as a projective measurement after embedding the system into a larger Hilbert space.&lt;/p&gt;&lt;section&gt;&lt;h2&gt;Example: the trine POVM&lt;a href=&quot;#example-the-trine-povm&quot;&gt;&lt;span&gt;#&lt;/span&gt;&lt;/a&gt;&lt;/h2&gt;&lt;p&gt;There are 3 nonzero effects &lt;span&gt;&lt;span&gt;E0,E1,E2E_0, E_1, E_2&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt; given by&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;Ek=13(I+nk⋅σ)=23∣ψk⟩⟨ψk∣,k=0,1,2\begin{aligned}
    E_k = \frac{1}{3} (I + \mathbf{n}_k \cdot \boldsymbol{\sigma})= \frac{2}{3} |\psi_k\rangle\langle\psi_k|, \quad k = 0, 1, 2
\end{aligned}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;3&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;I&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;+&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;n&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⋅&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;σ&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;3&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ψ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟨&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ψ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;p&gt;and the quantum states are given by&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣ψk⟩=12(∣0⟩+eiθk∣1⟩),θk=2π3k\begin{aligned}
    |\psi_k\rangle = \frac{1}{\sqrt{2}} (|0\rangle + e^{i \theta_k} |1\rangle), \quad \theta_k = \frac{2\pi}{3} k
\end{aligned}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ψ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣0&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;+&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;e&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;i&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;θ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣1&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;θ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;3&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;span&gt;π&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;p&gt;which are not orthogonal to each other. With an input state &lt;span&gt;&lt;span&gt;∣ψ⟩\ket{\psi}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ψ&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;, we have the probability of the outcome &lt;span&gt;&lt;span&gt;kk&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt; as&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;Pr(k∣ψ)=Tr(Ek∣ψ⟩⟨ψ∣)=23∣⟨ψk∣ψ⟩∣2\begin{aligned}
    Pr(k|\psi) = Tr(E_k |\psi\rangle\langle\psi|) = \frac{2}{3} |\langle\psi_k|\psi\rangle|^2
\end{aligned}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;P&lt;/span&gt;&lt;span&gt;r&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;ψ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;T&lt;/span&gt;&lt;span&gt;r&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;ψ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟨&lt;/span&gt;&lt;span&gt;ψ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;3&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟨&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ψ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;ψ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;p&gt;If outcome &lt;span&gt;&lt;span&gt;kk&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt; is interpreted as the guess that the input was
&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣ψk⟩|\psi_k\rangle&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ψ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;, the measurement does not identify the state
perfectly because the trine states are nonorthogonal.&lt;/p&gt;&lt;p&gt;Naimark’s dilation works when we take an ancilla &lt;span&gt;&lt;span&gt;HA=span{∣0⟩A,∣1⟩A,∣2⟩A}\mathcal{H}_A = \text{span}\{|0\rangle_A, |1\rangle_A, |2\rangle_A\}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;H&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;A&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;span&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;{&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣0&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;A&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣1&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;A&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣2&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;A&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;}&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;
where &lt;span&gt;&lt;span&gt;A⟨j∣k⟩A=δjk{}_A\langle j|k\rangle_A=\delta_{jk}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;A&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟨&lt;/span&gt;&lt;span&gt;j&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;A&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;δ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;j&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/p&gt;&lt;p&gt;we choose the measurement operators (not unique) to build the isometry&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;Mk=Ek=23∣ψk⟩⟨ψk∣\begin{aligned}
    M_k = \sqrt{E_k} = \sqrt{\frac{2}{3}} |\psi_k\rangle\langle\psi_k|
\end{aligned}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;M&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;3&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ψ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟨&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ψ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;p&gt;and the isometry &lt;span&gt;&lt;span&gt;V:HS→HS⊗HAV: \mathcal{H}_S \to \mathcal{H}_S \otimes \mathcal{H}_A&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;V&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;:&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;H&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;S&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;→&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;H&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;S&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⊗&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;H&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;A&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt; is given by&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;V∣ψ⟩S=∑k=02Mk∣ψ⟩S⊗∣k⟩A=23∑k=02∣ψk⟩⟨ψk∣ψ⟩S⊗∣k⟩A\begin{aligned}
    V \ket{\psi}_S &amp;amp;= \sum_{k=0}^{2} M_k \ket{\psi}_S \otimes |k\rangle_A \\
    &amp;amp;= \sqrt{\frac{2}{3}} \sum_{k=0}^{2} |\psi_k\rangle\langle\psi_k|\psi\rangle_S \otimes |k\rangle_A
\end{aligned}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;V&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ψ&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;S&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∑&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;M&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ψ&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;S&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⊗&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;A&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;3&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∑&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ψ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;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to verify that&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;V†V=∑kMk†Mk=∑kEk=IS\begin{aligned}
    V^\dagger V  &amp;amp;= \sum_k M_k^\dagger M_k  \\
    &amp;amp;= \sum_k  E_k  = I_S
\end{aligned}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;V&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;†&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;V&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∑&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;M&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;†&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;M&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∑&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;I&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;S&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;p&gt;via the isometry, the projective measurement can be performed on the larger space&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;Πk=IS⊗∣k⟩⟨k∣AEk=V†ΠkV=Mk†Mk\begin{aligned}
    \Pi_k = I_S \otimes |k\rangle \langle k|_A \\
    E_k = V^\dagger \Pi_k V = M_k^\dagger M_k
\end{aligned}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;Π&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;I&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;S&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⊗&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟨&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;A&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;V&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;†&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;Π&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;V&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;M&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;†&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;M&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;p&gt;With the orthogonal outcome branches, we can measure the ancilla projectively&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;p(k∣ψ)=∣∣(IS⊗⟨k∣A)V∣ψ⟩S∣∣2=⟨ψ∣Mk†Mk∣ψ⟩=⟨ψ∣Ek∣ψ⟩\begin{aligned}
    p(k|\psi) = ||(I_S \otimes \langle k|_A) V \ket{\psi}_S ||^2 = \bra{\psi} M_k^\dagger M_k \ket{\psi} = \bra{\psi} E_k \ket{\psi}
\end{aligned}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;p&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;ψ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;I&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;S&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⊗&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟨&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;A&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;V&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ψ&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;S&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;⟨&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ψ&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;M&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;†&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;M&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ψ&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;⟨&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ψ&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ψ&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;p&gt;POVMs are the &lt;strong&gt;Natural&lt;/strong&gt; language for optimal quantum measurement. If we have prepared one of the several possible states, it’s necessary to choose the best measurement to distinguish them.&lt;/p&gt;&lt;/section&gt;&lt;/section&gt;
&lt;section&gt;&lt;h1&gt;Discrimination —I want/I don’t know?&lt;a href=&quot;#discrimination-i-wanti-dont-know&quot;&gt;&lt;span&gt;#&lt;/span&gt;&lt;/a&gt;&lt;/h1&gt;&lt;p&gt;Uncertainty lies at the heart of quantum information.You prepare a quantum state to store information, but you don’t exactly know which one it is. You receive the state, and you perform a projective measurement through the Naimark’s dilation, but you may still be not sure if it is a “0” or “1”. Quantum Mechanically, two non-orthogonal states cannot be perfectly distinguished.&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&amp;lt;∣⟨ψ1∣ψ2⟩∣&amp;lt;1\begin{aligned}
    0&amp;lt; |\langle\psi_1|\psi_2\rangle| &amp;lt; 1
\end{aligned}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&amp;lt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟨&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ψ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ψ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&amp;lt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;p&gt;We therefore face a choice. We may always make a guess and minimize the
error probability, or we may forbid erroneous conclusive answers while
allowing an inconclusive result.&lt;/p&gt;&lt;section&gt;&lt;h2&gt;Minimum Error Discrimination&lt;a href=&quot;#minimum-error-discrimination&quot;&gt;&lt;span&gt;#&lt;/span&gt;&lt;/a&gt;&lt;/h2&gt;&lt;hr /&gt;&lt;p&gt;Always make a guess. — I want an answer, even if you are lying.&lt;/p&gt;&lt;hr /&gt;&lt;section&gt;&lt;h3&gt;Binary minimum error discrimination&lt;a href=&quot;#binary-minimum-error-discrimination&quot;&gt;&lt;span&gt;#&lt;/span&gt;&lt;/a&gt;&lt;/h3&gt;&lt;p&gt;Sample: &lt;span&gt;&lt;span&gt;S={p0,ρ0;p1,ρ1}S=\{p_0, \rho_0; p_1, \rho_1\}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;S&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;{&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;p&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ρ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;p&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ρ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;}&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;, with  POVMs &lt;span&gt;&lt;span&gt;{E0,E1}\{E_0, E_1\}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;{&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;}&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;
the success/error probability&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;Psucc=p0Tr(E0ρ0)+p1Tr(E1ρ1)Perr=1−Psuccp0+p1=1,E0+E1=I\begin{aligned}
    P_{succ}&amp;amp;= p_0 Tr(E_0 \rho_0) + p_1 Tr(E_1 \rho_1)  \\
    P_{err}&amp;amp;= 1- P_{succ} \\
    p_0 + p_1 &amp;amp;= 1, \quad E_0 + E_1 = I
\end{aligned}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;P&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;s&lt;/span&gt;&lt;span&gt;u&lt;/span&gt;&lt;span&gt;cc&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;P&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;er&lt;/span&gt;&lt;span&gt;r&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;p&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;+&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;p&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;p&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;T&lt;/span&gt;&lt;span&gt;r&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ρ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;+&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;p&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;T&lt;/span&gt;&lt;span&gt;r&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ρ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;P&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;s&lt;/span&gt;&lt;span&gt;u&lt;/span&gt;&lt;span&gt;cc&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;+&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;I&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;p&gt;the Helstrom operator &lt;span&gt;&lt;span&gt;Δ=p0ρ0−p1ρ1\Delta = p_0 \rho_0 - p_1 \rho_1&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;Δ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;p&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ρ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;p&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ρ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt; then,&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;Psucc=p0Tr(E0ρ0)+p1Tr((I−E0)ρ1)=p1+Tr(E0Δ)\begin{aligned}
    P_{succ}&amp;amp;= p_0 \text{Tr}(E_0 \rho_0) + p_1 \text{Tr}((I-E_0) \rho_1) \\
    &amp;amp;= p_1 + Tr(E_0 \Delta) \\
\end{aligned}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;P&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;s&lt;/span&gt;&lt;span&gt;u&lt;/span&gt;&lt;span&gt;cc&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;p&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;Tr&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ρ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;+&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;p&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;Tr&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;((&lt;/span&gt;&lt;span&gt;I&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ρ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;p&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;+&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;T&lt;/span&gt;&lt;span&gt;r&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;Δ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;p&gt;what we need to do is to maximize &lt;span&gt;&lt;span&gt;Tr(E0Δ)Tr(E_0 \Delta)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;T&lt;/span&gt;&lt;span&gt;r&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;Δ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt; by choosing the optimal &lt;span&gt;&lt;span&gt;E0E_0&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;. We can spectral decompose the Helstrom operator.&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;Δ=∑kλk∣k⟩⟨k∣\begin{aligned}
    \Delta = \sum_{k} \lambda_k |  k\rangle\langle k|
\end{aligned}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;Δ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∑&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;λ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟨&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;p&gt;take a direct sum decomposition of the eigenspaces of &lt;span&gt;&lt;span&gt;Δ\Delta&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;Δ&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt; into positive and negative subspaces&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;Δ=Δ+−Δ−=∑λk&amp;gt;0λk∣k⟩⟨k∣+∑λk&amp;lt;0λk∣k⟩⟨k∣∣Δ∣=Δ++Δ−whereΔ+=∑λk&amp;gt;0λk∣k⟩⟨k∣Δ−=−∑λk&amp;lt;0λk∣k⟩⟨k∣\begin{aligned}
    \Delta &amp;amp;= \Delta_+ - \Delta_- \\
    &amp;amp;= \sum_{\lambda_k &amp;gt; 0} \lambda_k |k\rangle\langle k| + \sum_{\lambda_k &amp;lt; 0} \lambda_k |k\rangle\langle k| \\
    |\Delta| &amp;amp;= \Delta_+ + \Delta_-  \\
    \text{where} \quad  \Delta_+ &amp;amp;= \sum_{\lambda_k &amp;gt; 0} \lambda_k |k\rangle\langle k| \\
    \Delta_- &amp;amp;= -\sum_{\lambda_k &amp;lt; 0} \lambda_k |k\rangle\langle k| \\
\end{aligned}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;Δ&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣Δ∣&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;where&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;Δ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;+&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;Δ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;Δ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;+&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;Δ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;λ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&amp;gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∑&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;λ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟨&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;+&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;λ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&amp;lt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∑&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;λ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟨&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;Δ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;+&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;+&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;Δ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;λ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&amp;gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∑&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;λ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟨&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;λ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&amp;lt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∑&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;λ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟨&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;p&gt;Since &lt;span&gt;&lt;span&gt;0≤E0≤I0\leq E_0\leq I&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;≤&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;≤&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;I&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;, the maximum is obtained by assigning eigenvalue one to the positive eigenspace of &lt;span&gt;&lt;span&gt;Δ\Delta&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;Δ&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt; and zero to its negative eigenspace.&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E0=Π+(Δ)E1=I−E0\begin{aligned}
    E_0 &amp;amp;= \Pi_{+}(\Delta) \\
    E_1 &amp;amp;= I - E_0 
\end{aligned}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;Π&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;+&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;Δ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;I&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;p&gt;So we have the &lt;strong&gt;Helstrom measurement&lt;/strong&gt;&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;max⁡0≤E0≤ITr(E0Δ)=Tr(Δ+)\begin{aligned}
    \max_{0\leq E_0 \leq I} Tr(E_0 \Delta) = Tr(\Delta_+)
\end{aligned}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;span&gt;≤&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;≤&lt;/span&gt;&lt;span&gt;I&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;max&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;T&lt;/span&gt;&lt;span&gt;r&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;Δ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;T&lt;/span&gt;&lt;span&gt;r&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;Δ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;+&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;p&gt;So the optimal success probability is&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;Psuccopt=p1+Tr(Δ+)=12(1+∣∣Δ∣∣1)=12(1+∑i∣λi∣)Perropt=1−Psuccopt=12(1−∣∣Δ∣∣1)=12(1−∑i∣λi∣)\begin{aligned}
    P_{succ}^{opt} = p_1 + Tr(\Delta_+) = \frac{1}{2} (1 + ||\Delta||_1) = \frac{1}{2} (1 + \sum_i |\lambda_i| ) \\
    P_{err}^{opt} = 1 - P_{succ}^{opt} = \frac{1}{2} (1 - ||\Delta||_1) = \frac{1}{2} (1 - \sum_i |\lambda_i| )
\end{aligned}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;P&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;s&lt;/span&gt;&lt;span&gt;u&lt;/span&gt;&lt;span&gt;cc&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;o&lt;/span&gt;&lt;span&gt;pt&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;p&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;+&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;T&lt;/span&gt;&lt;span&gt;r&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;Δ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;+&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;+&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣∣Δ∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;+&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;i&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∑&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;λ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;i&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;P&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;er&lt;/span&gt;&lt;span&gt;r&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;o&lt;/span&gt;&lt;span&gt;pt&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&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Bounds&lt;/strong&gt;&lt;/p&gt;&lt;p&gt;for the equal prior &lt;span&gt;&lt;span&gt;p0=p1=12p_0 = p_1 = \frac{1}{2}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;p&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;p&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;Perropt=12(1−D(ρ0,ρ1))\begin{aligned}
    P_{err}^{opt} = \frac{1}{2} (1 - D(\rho_0, \rho_1))
\end{aligned}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;P&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;er&lt;/span&gt;&lt;span&gt;r&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;o&lt;/span&gt;&lt;span&gt;pt&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;D&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ρ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ρ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;))&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;p&gt;where &lt;span&gt;&lt;span&gt;DD&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;D&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt; is  the trace distance  defined as&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;D(ρ,σ)=12∣∣ρ−σ∣∣1\begin{aligned}
    D(\rho, \sigma) = \frac{1}{2} ||\rho - \sigma||_1
\end{aligned}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;D&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;ρ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;σ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;ρ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;σ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;p&gt;Suppose we have 2 pure states &lt;span&gt;&lt;span&gt;∣ψ0⟩\ket{\psi_0}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ψ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt; and &lt;span&gt;&lt;span&gt;∣ψ1⟩\ket{\psi_1}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ψ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;, the error rate becomes&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;Perropt=12(1−1−∣⟨ψ0∣ψ1⟩∣2)\begin{aligned}
    P_{err}^{opt} = \frac{1}{2} (1 - \sqrt{1 - |\langle\psi_0|\psi_1\rangle|^2})
\end{aligned}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;P&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;er&lt;/span&gt;&lt;span&gt;r&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;o&lt;/span&gt;&lt;span&gt;pt&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟨&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ψ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ψ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;p&gt;For binary minimum-error discrimination, optimizing over all POVMs yields an optimal projective measurement (PVM): The Helstrom measurement.&lt;/p&gt;&lt;/section&gt;&lt;/section&gt;&lt;section&gt;&lt;h2&gt;Unambiguous  discrimination&lt;a href=&quot;#unambiguous--discrimination&quot;&gt;&lt;span&gt;#&lt;/span&gt;&lt;/a&gt;&lt;/h2&gt;&lt;hr /&gt;&lt;p&gt;Never make a wrong conclusive guess. — I don’t know.&lt;/p&gt;&lt;hr /&gt;&lt;p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E0+E1+E?=IE_0+E_1+E_?=I&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;+&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;+&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;?&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;I&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;
we allow an inconclusive outcome &lt;span&gt;&lt;span&gt;E?E_?&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;?&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt; to avoid the error. We are sure that if we get the outcome &lt;span&gt;&lt;span&gt;E0E_0&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt; or &lt;span&gt;&lt;span&gt;E1E_1&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;Tr(E0ρ1)=Tr(E1ρ0)=0\begin{aligned}
    Tr(E_0 \rho_1) = Tr(E_1 \rho_0) = 0
\end{aligned}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;T&lt;/span&gt;&lt;span&gt;r&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ρ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;T&lt;/span&gt;&lt;span&gt;r&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ρ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;p&gt;The success probability to be optimized is&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;Psucc=η0Tr(E0ρ0)+η1Tr(E1ρ1)\begin{aligned}
    P_{succ} = \eta_0 Tr(E_0 \rho_0) + \eta_1 Tr(E_1 \rho_1)
\end{aligned}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;P&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;s&lt;/span&gt;&lt;span&gt;u&lt;/span&gt;&lt;span&gt;cc&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;η&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;T&lt;/span&gt;&lt;span&gt;r&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ρ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;+&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;η&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;T&lt;/span&gt;&lt;span&gt;r&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ρ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;p&gt;The Unambiguous State Discrimination (USD) requires:&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;⟨ψ0∣E1∣ψ0⟩=0,⟨ψ1∣E0∣ψ1⟩=0\begin{aligned}
    \bra{\psi_0} E_1 \ket{\psi_0} = 0, \quad \bra{\psi_1} E_0 \ket{\psi_1} = 0
\end{aligned}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;⟨&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ψ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ψ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;⟨&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ψ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ψ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;p&gt;Suppose &lt;span&gt;&lt;span&gt;η0=η1=12\eta_0 = \eta_1 = \frac{1}{2}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;η&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;η&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;, for 2 pure states &lt;span&gt;&lt;span&gt;∣ψ0⟩\ket{\psi_0}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ψ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt; and &lt;span&gt;&lt;span&gt;∣ψ1⟩\ket{\psi_1}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ψ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;, which are not orthogonal to each other. we can choose the basis &lt;span&gt;&lt;span&gt;∣0⟩,∣1⟩\ket{0}, \ket{1}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt; such that&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣ψ0⟩=∣0⟩,∣ψ1⟩=c∣0⟩+s∣1⟩\begin{aligned}
    \ket{\psi_0} = \ket{0}, \quad \ket{\psi_1} = c\ket{0} + s \ket{1}
\end{aligned}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ψ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ψ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;c&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;+&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;s&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;p&gt;choose their orthogonal complements&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣ψ0⊥⟩=∣1⟩,∣ψ1⊥⟩=s∣0⟩−c∣1⟩\begin{aligned}
    \ket{\psi_0^\perp} = \ket{1}, \quad \ket{\psi_1^\perp} = s\ket{0} - c\ket{1}
\end{aligned}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ψ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;⊥&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ψ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;⊥&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;s&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;c&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;p&gt;then we can construct the POVMs as&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E0=a∣ψ1⊥⟩⟨ψ1⊥∣E1=a∣ψ0⊥⟩⟨ψ0⊥∣E?=I−E0−E1=(1−as2ascasc1−a(1+c2))\begin{aligned}
    E_0 &amp;amp;= a \ket{\psi_1^\perp}\bra{\psi_1^\perp} \\
    E_1 &amp;amp;= a \ket{\psi_0^\perp}\bra{\psi_0^\perp} \\
    E_? &amp;amp;= I - E_0 - E_1 = \begin{pmatrix}
    1 - as^2 &amp;amp; asc\\
    asc &amp;amp; 1 - a(1 + c^2)
    \end{pmatrix}
\end{aligned}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;?&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;a&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ψ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;⊥&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;⟨&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ψ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;⊥&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;a&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ψ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;⊥&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;⟨&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ψ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;⊥&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;I&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;a&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;s&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;a&lt;/span&gt;&lt;span&gt;sc&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;a&lt;/span&gt;&lt;span&gt;sc&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;a&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;+&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;c&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;p&gt;For &lt;span&gt;&lt;span&gt;E?E_?&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;?&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt; to be positive semidefinite, its principal minors must be non-negative. Together with &lt;span&gt;&lt;span&gt;a≥0a\geq0&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;a&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;≥&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;, the limiting determinant condition gives&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;det⁡(E?)=(1−as2)(1−a(1+c2))−(asc)2≥0a≤11+c\begin{aligned}
    \det(E_?) &amp;amp;= (1 - as^2)(1 - a(1 + c^2)) - (asc)^2 \geq 0 \\
    a &amp;amp;\leq \frac{1}{1 + c} 
\end{aligned}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;det&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;?&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;a&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;a&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;s&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;a&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;+&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;c&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;))&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;a&lt;/span&gt;&lt;span&gt;sc&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;≥&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;≤&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;+&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;c&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;p&gt;So we have the Ivanovic-Dieks-Peres (IDP) limit&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;PsuccUSD=amax(1−c2)=1−c=1−∣⟨ψ0∣ψ1⟩∣\begin{aligned}
    P_{succ}^{USD} = a_{max}(1-c^2) = 1 - c = 1 - |\langle\psi_0|\psi_1\rangle|
\end{aligned}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;P&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;s&lt;/span&gt;&lt;span&gt;u&lt;/span&gt;&lt;span&gt;cc&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;U&lt;/span&gt;&lt;span&gt;S&lt;/span&gt;&lt;span&gt;D&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;a&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ma&lt;/span&gt;&lt;span&gt;x&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;c&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;c&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟨&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ψ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ψ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/section&gt;&lt;/section&gt;
&lt;section&gt;&lt;h1&gt;Conclusion&lt;a href=&quot;#conclusion&quot;&gt;&lt;span&gt;#&lt;/span&gt;&lt;/a&gt;&lt;/h1&gt;&lt;p&gt;POVMs extend projective measurements by allowing outcome effects that need not be orthogonal projectors. Naimark dilation shows that these generalized measurement statistics can be realized by coupling the system to an ancilla and projectively reading orthogonal pointer states. In state discrimination, the choice of POVM determines how we trade errors against inconclusive results. Quantum measurement is therefore not merely the reading of an eigenvalue, but a physically constrained way of extracting classical information from a quantum state.&lt;/p&gt;&lt;p&gt;Quantum information is about what can be learned from quantum states,
and the laws of quantum measurement impose fundamental limits on
information extraction.&lt;/p&gt;&lt;p&gt;References:&lt;/p&gt;&lt;p&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;1. M. A. Nielsen and I. L. Chuang, &lt;em&gt;Quantum Computation and Quantum Information&lt;/em&gt;, 10th anniversary ed., Cambridge University Press (2010).&lt;/p&gt;&lt;p&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;2. C. W. Helstrom, &lt;em&gt;Quantum Detection and Estimation Theory&lt;/em&gt;, Academic Press (1976).&lt;/p&gt;&lt;p&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;3. A. S. Holevo, &lt;em&gt;Probabilistic and Statistical Aspects of Quantum Theory&lt;/em&gt;, North-Holland (1982).&lt;/p&gt;&lt;p&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;4. A. Chefles, “Quantum State Discrimination,” &lt;em&gt;Contemporary Physics&lt;/em&gt; &lt;strong&gt;41&lt;/strong&gt;, 401–424 (2000), DOI: &lt;a href=&quot;https://doi.org/10.1080/00107510010002599&quot; target=&quot;_blank&quot;&gt;10.1080/00107510010002599&lt;/a&gt;.&lt;/p&gt;&lt;p&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;5. S. M. Barnett and S. Croke, “Quantum State Discrimination,” &lt;em&gt;Advances in Optics and Photonics&lt;/em&gt; &lt;strong&gt;1&lt;/strong&gt;, 238–278 (2009), DOI: &lt;a href=&quot;https://doi.org/10.1364/AOP.1.000238&quot; target=&quot;_blank&quot;&gt;10.1364/AOP.1.000238&lt;/a&gt;.&lt;/p&gt;&lt;p&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;6. Quantum Information Lecture, Prof. J.Y.Fan, Department of Physics, SUSTech.&lt;/p&gt;&lt;p&gt;&lt;/p&gt;&lt;figure&gt;&lt;img alt=&quot;ILLIT_Minju&quot; loading=&quot;lazy&quot; width=&quot;3000&quot; height=&quot;2000&quot; src=&quot;/_astro/2.BFMBlbFt_AlgaY.webp&quot; srcset=&quot;/_astro/2.BFMBlbFt_Z1gxfwW.webp 640w, /_astro/2.BFMBlbFt_1g6WvN.webp 750w, /_astro/2.BFMBlbFt_Z2snxWq.webp 828w, /_astro/2.BFMBlbFt_ZVfkVl.webp 1080w, /_astro/2.BFMBlbFt_25vmdC.webp 1280w, /_astro/2.BFMBlbFt_132s9n.webp 1668w, /_astro/2.BFMBlbFt_ZN3nay.webp 2048w, /_astro/2.BFMBlbFt_Z1bS8Vx.webp 2560w, /_astro/2.BFMBlbFt_AlgaY.webp 3000w&quot; /&gt;&lt;figcaption&gt;ILLIT_Minju&lt;/figcaption&gt;&lt;/figure&gt;&lt;p&gt;&lt;/p&gt;&lt;/section&gt;</content:encoded></item><item><title>What is Wannier? --the wisdom of simplification and localization</title><link>https://nitrene.fun/posts/what-is-wannier/</link><guid isPermaLink="true">https://nitrene.fun/posts/what-is-wannier/</guid><description>The Wannier function is one of the most important methods in condensed matter physics.</description><pubDate>Mon, 10 Aug 2026 00:00:00 GMT</pubDate><content:encoded>&lt;p&gt;This article is a simple introduction to the Wannier function. It won’t go into more technical details, but will give a general idea of what it is and what it does in the practical calculation with my own understanding and thinking framework. It’s not a formal article and may contain some mistakes, feel free to contact me if you have any questions or suggestions.&lt;/p&gt;
&lt;section&gt;&lt;h1&gt;Where does it come from?&lt;a href=&quot;#where-does-it-come-from&quot;&gt;&lt;span&gt;#&lt;/span&gt;&lt;/a&gt;&lt;/h1&gt;&lt;p&gt;The modern condensed matter physics aims to figure out the electron structures and behaviours in the crystal-like, i.e. the periodic potential field. As a fundamental theory, Bloch’s theorem tells the most important property of the wave function while it is noticed that the crystal momentum &lt;span&gt;&lt;span&gt;kk&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt; is a good quantum number in such periodic potential. &lt;a href=&quot;#ref-1&quot;&gt;[1]&lt;/a&gt;&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ψnk(r+R)=eik⋅Rψnk(r).\begin{align}
\psi_{n\mathbf k}(\mathbf r+\mathbf R)
&amp;amp;=
e^{i\mathbf k\cdot\mathbf R}
\psi_{n\mathbf k}(\mathbf r).
\end{align}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ψ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;n&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;r&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;+&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;e&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;i&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⋅&lt;/span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ψ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;n&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;r&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;.&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;p&gt;However, Bloch’s picture describe the electron as a “running wave” in the infinite potential field, which is not naturally consistent with the “atomic” picture. Early quantum mechanics provided a clear orbital picture for isolated
atoms, most notably through the exact solution of the hydrogen atom and approximate treatments of many-electron atoms. It is simpler and more intuitive to treat the electron states in the periodic potential as the linear combination of the localized atomic-orbital-like real space functions.&lt;/p&gt;&lt;p&gt;Gregory Wannier gave his answer in 1937 when studying the electron-hole excitation in the crystal. He constructed the Wannier Functions (WFs) to bridge the above gap. &lt;a href=&quot;#ref-2&quot;&gt;[2]&lt;/a&gt;&lt;/p&gt;&lt;p&gt;Wannier functions are real-space representatives of a chosen Bloch-band subspace. For a finite crystal containing &lt;span&gt;&lt;span&gt;NN&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;N&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt; unit cells with periodic
boundary conditions, the Wannier states associated with an isolated band are defined by&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣wnR⟩=1N∑ke−ik⋅R∣ψnk⟩.\begin{align}
\left|w_{n\mathbf R}\right\rangle
&amp;amp;=
\frac{1}{\sqrt{N}}
\sum_{\mathbf k}
e^{-i\mathbf k\cdot\mathbf R}
\left|\psi_{n\mathbf k}\right\rangle.
\end{align}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;w&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;n&lt;/span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;N&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∑&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;e&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;i&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⋅&lt;/span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ψ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;n&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;.&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;p&gt;For a composite subspace containing &lt;span&gt;&lt;span&gt;JJ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;J&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt; bands, the Bloch states at each &lt;span&gt;&lt;span&gt;k\mathbf k&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt; can also mix with each other:&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣wnR⟩=1N∑ke−ik⋅R∑m=1J∣ψmk⟩Umn(k).\begin{align}
|w_{n\mathbf R}\rangle
&amp;amp;=
\frac{1}{\sqrt N}
\sum_{\mathbf k}
e^{-i\mathbf k\cdot\mathbf R}
\sum_{m=1}^{J}
|\psi_{m\mathbf k}\rangle
U_{mn}(\mathbf k).
\end{align}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;w&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;n&lt;/span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;N&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∑&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;e&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;i&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⋅&lt;/span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;m&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∑&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;J&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ψ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;m&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;U&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;mn&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;.&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;p&gt;Here &lt;span&gt;&lt;span&gt;U(k)∈U(J)U(\mathbf k)\in U(J)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;U&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∈&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;U&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;J&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt; is a &lt;span&gt;&lt;span&gt;k\mathbf k&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;-dependent unitary matrix. It represents the gauge freedom inside the selected band subspace. Different choices of &lt;span&gt;&lt;span&gt;U(k)U(\mathbf k)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;U&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt; keep the same subspace, but generally give different Wannier functions and different degrees of localization.&lt;/p&gt;&lt;p&gt;Their position-space representations are complex-valued functions:&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;wnR(r)=⟨r|wnR⟩,\begin{align}
w_{n\mathbf R}(\mathbf r)
&amp;amp;=
\left\langle\mathbf r\middle|w_{n\mathbf R}\right\rangle,
\end{align}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;w&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;n&lt;/span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;r&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;⟨&lt;/span&gt;&lt;span&gt;r&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;w&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;n&lt;/span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;p&gt;Wannier functions have the following important properties.&lt;/p&gt;&lt;ul&gt;
&lt;li&gt;
&lt;p&gt;&lt;strong&gt;Lattice-translation covariance&lt;/strong&gt;&lt;/p&gt;
&lt;p&gt;Wannier functions in different unit cells are related by lattice
translations:&lt;/p&gt;
&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;wnR(r)=wn0(r−R).\begin{align}

w_{n\mathbf R}(\mathbf r)
&amp;amp;=
w_{n\mathbf 0}(\mathbf r-\mathbf R).
\end{align}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;w&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;n&lt;/span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;r&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;w&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;n&lt;/span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;r&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;.&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;
&lt;/li&gt;
&lt;li&gt;
&lt;p&gt;&lt;strong&gt;Orthonormality&lt;/strong&gt;&lt;/p&gt;
&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;⟨wnR|wmR′⟩=δnmδRR′\begin{align}
\left\langle
w_{n\mathbf R}
\middle|
w_{m\mathbf R&apos;}
\right\rangle
&amp;amp;=
\delta_{nm}\delta_{\mathbf R\mathbf R&apos;}
\end{align}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;⟨&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;w&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;n&lt;/span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;w&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;m&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;′&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;δ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;nm&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;δ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;′&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;
&lt;/li&gt;
&lt;li&gt;
&lt;p&gt;&lt;strong&gt;Completeness within the selected band subspace&lt;/strong&gt;&lt;/p&gt;
&lt;p&gt;The Wannier states form an orthonormal basis for the range of a band
projector &lt;span&gt;&lt;span&gt;P^\hat P&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;P&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;^&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;:&lt;/p&gt;
&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;HP:=Ran⁡P^=span⁡‾{∣wnR⟩}n,R\begin{align}
\mathcal H_P
&amp;amp;:=
\operatorname{Ran}\hat P
=
\overline{\operatorname{span}}
\left\{
\left|w_{n\mathbf R}\right\rangle
\right\}_{n,\mathbf R}
\end{align}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;H&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;P&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;:=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;Ran&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;P&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;^&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;span&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;{&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;w&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;n&lt;/span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;}&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;n&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;
&lt;p&gt;The projector satisfies&lt;/p&gt;
&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;P^2=P^, P^†=P^P^=∑n,R∣wnR⟩⟨wnR∣\begin{aligned}
&amp;amp;\hat P^2=
\hat P, \ 
\hat P^\dagger
=
\hat P

\\


&amp;amp;\hat P
=
\sum_{n,\mathbf R}
\left|w_{n\mathbf R}\right\rangle
\left\langle w_{n\mathbf R}\right|
\end{aligned}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;P&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;^&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;P&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;^&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;span&gt; &lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;P&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;^&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;†&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;P&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;^&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;P&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;^&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;n&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∑&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;w&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;n&lt;/span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;⟨&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;w&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;n&lt;/span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;
&lt;/li&gt;
&lt;li&gt;
&lt;p&gt;&lt;strong&gt;Real-space localization&lt;/strong&gt;&lt;/p&gt;
&lt;p&gt;When a sufficiently smooth gauge exists, the Wannier functions can be
chosen to decay rapidly away from the centers. For exponentially
localized Wannier functions,&lt;/p&gt;
&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣wnR(r)∣≤Cne−αn∣r−R∣,Cn,αn&amp;gt;0.\begin{align}
\left|
w_{n\mathbf R}(\mathbf r)
\right|
&amp;amp;\leq
C_n
e^{-\alpha_n
\left|\mathbf r-\mathbf R\right|},
\qquad
C_n,\alpha_n&amp;gt;0.
\end{align}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;w&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;n&lt;/span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;r&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;≤&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;C&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;n&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;e&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;α&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;n&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;r&lt;/span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;C&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;n&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;α&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;n&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&amp;gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;0.&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;
&lt;/li&gt;
&lt;/ul&gt;&lt;p&gt;Therefore, Wannier functions do not satisfy the Bloch
condition. For an isolated band, the Bloch state is obtained as a momentum-labelled
superposition of Wannier functions distributed over all lattice cells:&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣ψnk⟩=1N∑Reik⋅R∣wnR⟩.\begin{align}
\left|\psi_{n\mathbf k}\right\rangle
&amp;amp;=
\frac{1}{\sqrt N}
\sum_{\mathbf R}
e^{i\mathbf k\cdot\mathbf R}
\left|w_{n\mathbf R}\right\rangle.
\end{align}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ψ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;n&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;N&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∑&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;e&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;i&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⋅&lt;/span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;w&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;n&lt;/span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;.&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;p&gt;For composite bands, the inverse transformation instead reconstructs a Bloch-like state in the Wannier gauge,&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣ψ~nk⟩=∑m=1J∣ψmk⟩Umn(k)=1N∑Reik⋅R∣wnR⟩.\begin{align}
\left|\widetilde\psi_{n\mathbf k}\right\rangle
&amp;amp;=
\sum_{m=1}^{J}
\left|\psi_{m\mathbf k}\right\rangle
U_{mn}(\mathbf k)
\notag
\\
&amp;amp;=
\frac{1}{\sqrt N}
\sum_{\mathbf R}
e^{i\mathbf k\cdot\mathbf R}
\left|w_{n\mathbf R}\right\rangle.
\end{align}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;ψ&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;n&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;m&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∑&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;J&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ψ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;m&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;U&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;mn&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;N&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∑&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;e&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;i&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⋅&lt;/span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;w&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;n&lt;/span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;.&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;p&gt;The two representations, the Bloch &lt;span&gt;&lt;span&gt;∣ψnk⟩\ket{\psi_{n\mathbf k}}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ψ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;n&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt; and the Wannier &lt;span&gt;&lt;span&gt;∣wnR⟩\ket{w_{n\mathbf R}}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;w&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;n&lt;/span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt; both describe the correct band dispersion. Bloch
states are extended throughout the
crystal, whereas Wannier states sacrifice a definite momentum label in
exchange for real-space localization.&lt;/p&gt;&lt;/section&gt;
&lt;section&gt;&lt;h1&gt;What does it do?&lt;a href=&quot;#what-does-it-do&quot;&gt;&lt;span&gt;#&lt;/span&gt;&lt;/a&gt;&lt;/h1&gt;&lt;p&gt;In the condensed matter calculation, Wannierization is most
commonly used as a post-processing step following a first-principles electronic structure calculation, mostly Density Functional Theory (DFT), even though it is not the initial purpose of Wannier’s original work.&lt;/p&gt;&lt;p&gt;In 1997, Marzari and Vanderbilt introduced the maximally localized Wannier functions (MLWFs) for composite bands &lt;a href=&quot;#ref-3&quot;&gt;[3]&lt;/a&gt;. In 2001, Souza, Marzari, and Vanderbilt extended this method to entangled bands through a disentanglement procedure &lt;a href=&quot;#ref-4&quot;&gt;[4]&lt;/a&gt;. In 2008, the &lt;code&gt;Wannier90&lt;/code&gt; package was published &lt;a href=&quot;#ref-5&quot;&gt;[5]&lt;/a&gt;.&lt;/p&gt;&lt;p&gt;Wannier90 does not determine the electronic structure by itself. Instead, it takes the eigenvalues, Bloch-state overlaps, and trial-orbital projections supplied by a first-principles calculation and constructs a localized representation of a selected band subspace. Within a fixed isolated subspace, Wannierization is a unitary change of basis. Approximations enter when an effective subspace is disentangled and when long-ranged real-space matrix entries are truncated.&lt;/p&gt;&lt;p&gt;In a first-principles workflow, DFT supplies the Kohn-Sham Hamiltonian, eigenvalues, and Bloch eigenstates:&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;H^KS[ρ]∣ψnk⟩=εnk∣ψnk⟩.\begin{align}
\hat H_{\mathrm{KS}}[\rho]
\left|\psi_{n\mathbf k}\right\rangle
&amp;amp;=
\varepsilon_{n\mathbf k}
\left|\psi_{n\mathbf k}\right\rangle.
\end{align}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;H&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;^&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;KS&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;[&lt;/span&gt;&lt;span&gt;ρ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;]&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ψ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;n&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ε&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;n&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ψ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;n&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;.&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;p&gt;Wannierization gives the Real Space Hamiltonian under the Real Space Wannier basis&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;Hmn(R)=⟨wm0∣H^∣wnR⟩\begin{align}
H_{mn}(\mathbf R) = \bra{w_{m\mathbf 0}}\hat{H}\ket{w_{n\mathbf R}}
\end{align}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;H&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;mn&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;⟨&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;w&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;m&lt;/span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;H&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;^&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;w&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;n&lt;/span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;p&gt;And the Fourier transformation to momentum reciprocal space&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;Hmn(k)=∑Reik⋅RHmn(R).\begin{align}
H_{mn}(\mathbf k)
&amp;amp;=
\sum_{\mathbf R}
e^{i\mathbf k\cdot\mathbf R}
H_{mn}(\mathbf R).
\end{align}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;H&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;mn&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∑&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;e&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;i&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⋅&lt;/span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;H&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;mn&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;.&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;p&gt;&lt;strong&gt;So why do we wannierize it instead of using the original DFT result directly?&lt;/strong&gt;&lt;/p&gt;&lt;p&gt;First-principles DFT calculations provide an accurate description of the electronic structure. In principle, most physical
quantities can be evaluated directly from the
Kohn-Sham eigenstates. In practice, the difficulty lies in
repeating such calculations over the extremely dense momentum meshes
required for Brillouin-zone integration. Such large plane-wave diagonalizations on the mesh is too expensive to be practical, especially for large systems.&lt;/p&gt;&lt;p&gt;Wannierization replaces large-scale calculation with a
compact interpolation problem.
Dense-mesh calculations require only the diagonalization
of a much smaller Wannier Hamiltonian. Topological invariants,
Berry curvature, transport coefficients, and dynamical response
functions can therefore be evaluated efficiently without
solving the original large plane-wave problem.&lt;/p&gt;&lt;p&gt;For example, the primitive bcc Fe unit cell contains only 1 magnetic atom, but the DFT calculation requires more than 600 plane waves to converge the Kohn-Sham eigenstates. In contrast, a Wannier Hamiltonian with 18 basis functions per unit cell is sufficient to reproduce the correct band structure over a wide energy range centered on the Fermi level. The Wannier Hamiltonian is therefore more than an order of magnitude smaller than the original DFT Hamiltonian, and its diagonalization is correspondingly faster.&lt;/p&gt;&lt;p&gt;&lt;/p&gt;&lt;figure&gt;&lt;img alt=&quot;The bcc Fe band structure, The grey lines represent the vasp results, and the red lines represent the Wannier90 results&quot; loading=&quot;lazy&quot; width=&quot;1468&quot; height=&quot;1260&quot; src=&quot;/_astro/wann.BJANf1ka_7JVgc.webp&quot; srcset=&quot;/_astro/wann.BJANf1ka_Z3PGNo.webp 640w, /_astro/wann.BJANf1ka_Z10wxD.webp 750w, /_astro/wann.BJANf1ka_Z2wXGu7.webp 828w, /_astro/wann.BJANf1ka_Z13K1Hu.webp 1080w, /_astro/wann.BJANf1ka_Z1EOF47.webp 1280w, /_astro/wann.BJANf1ka_7JVgc.webp 1468w&quot; /&gt;&lt;figcaption&gt;The bcc Fe band structure, The grey lines represent the vasp results, and the red lines represent the Wannier90 results&lt;/figcaption&gt;&lt;/figure&gt;&lt;p&gt;&lt;/p&gt;&lt;section&gt;&lt;h2&gt;1-dimensional ssh-like example&lt;a href=&quot;#1-dimensional-ssh-like-example&quot;&gt;&lt;span&gt;#&lt;/span&gt;&lt;/a&gt;&lt;/h2&gt;&lt;p&gt;Suppose we have a 1-dimensional SSH-like model with two identical atoms in a unit cell.&lt;/p&gt;&lt;p&gt;&lt;/p&gt;&lt;figure&gt;&lt;img alt=&quot;periodic potential&quot; loading=&quot;lazy&quot; width=&quot;1506&quot; height=&quot;1121&quot; src=&quot;/_astro/ssh_periodic_potential.DApXgeNY_2olYSf.webp&quot; srcset=&quot;/_astro/ssh_periodic_potential.DApXgeNY_2hEWPC.webp 640w, /_astro/ssh_periodic_potential.DApXgeNY_QuhvV.webp 750w, /_astro/ssh_periodic_potential.DApXgeNY_1koeIr.webp 828w, /_astro/ssh_periodic_potential.DApXgeNY_Z2sH6kR.webp 1080w, /_astro/ssh_periodic_potential.DApXgeNY_8VXqx.webp 1280w, /_astro/ssh_periodic_potential.DApXgeNY_2olYSf.webp 1506w&quot; /&gt;&lt;figcaption&gt;periodic potential&lt;/figcaption&gt;&lt;/figure&gt;&lt;p&gt;&lt;/p&gt;&lt;ul&gt;
&lt;li&gt;lattice constant &lt;span&gt;&lt;span&gt;aa&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;a&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/li&gt;
&lt;li&gt;relative position &lt;span&gt;&lt;span&gt;dd&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;d&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/li&gt;
&lt;/ul&gt;&lt;p&gt;The potential is given by&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;V(x)=−V0∑R∈Λ[g(x−R)+g(x−R−d)]\begin{align}
V(x)
&amp;amp;=
-V_0 \sum_{R\in \Lambda} [g(x-R) + g(x-R-d)]
\end{align}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;V&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;x&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;V&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∈&lt;/span&gt;&lt;span&gt;Λ&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∑&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;[&lt;/span&gt;&lt;span&gt;g&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;x&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;+&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;g&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;x&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;d&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)]&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;p&gt;where &lt;span&gt;&lt;span&gt;g(x)g(x)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;g&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;x&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt; is the Gaussian function defined as&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;g(x)=e−x22σ2.\begin{align}
g(x)
&amp;amp;=
e^{-\frac{x^2}{2\sigma^2}}.
\end{align}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;g&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;x&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;e&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;σ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;x&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;.&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;p&gt;and the lattice set &lt;span&gt;&lt;span&gt;Λ\Lambda&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;Λ&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt; is defined as&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;Λ={ma∣m∈Z}.\begin{align}
\Lambda
&amp;amp;=
\{ma| m\in \mathbb Z\}.
\end{align}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;Λ&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;{&lt;/span&gt;&lt;span&gt;ma&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;m&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∈&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;Z&lt;/span&gt;&lt;span&gt;}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;.&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;section&gt;&lt;h3&gt;Plane wave solution&lt;a href=&quot;#plane-wave-solution&quot;&gt;&lt;span&gt;#&lt;/span&gt;&lt;/a&gt;&lt;/h3&gt;&lt;p&gt;The Hamiltonian is given by&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;H^=−ℏ22md2dx2+V(x)\begin{align}
\hat H
&amp;amp;=
-\frac{\hbar^2}{2m}\frac{d^2}{dx^2}
+
V(x)
\end{align}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;H&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;^&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;span&gt;m&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ℏ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;d&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;x&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;d&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;+&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;V&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;x&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;p&gt;from the Bloch theorem, the Bloch wave function is the eigenfunction of the Hamiltonian.&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ψnk(x)=eikxunk(x)\begin{align}
\psi_{n k}(x) = e^{ikx}u_{nk}(x) 
\end{align}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ψ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;nk&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;x&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;e&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ik&lt;/span&gt;&lt;span&gt;x&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;u&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;nk&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;x&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;p&gt;expand the periodic function &lt;span&gt;&lt;span&gt;unk(x)u_{nk}(x)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;u&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;nk&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;x&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ψnk(x)=∑GCnG(k)ei(k+G)x.\begin{align}
\psi_{nk}(x)
&amp;amp;=
\sum_G
C_{nG}(k)e^{i(k+G)x}.
\end{align}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ψ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;nk&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;x&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;G&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∑&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;C&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;n&lt;/span&gt;&lt;span&gt;G&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;e&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;i&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;span&gt;+&lt;/span&gt;&lt;span&gt;G&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;x&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;.&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;p&gt;We can define the normalized plane wave basis in the real space as&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;⟨x∣k+G⟩=1Lei(k+G)x.\begin{align}
\braket{x|k+G}
&amp;amp;=
\frac{1}{\sqrt L}e^{i(k+G)x}.
\end{align}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;⟨&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;x&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;+&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;G&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;L&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;e&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;i&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;span&gt;+&lt;/span&gt;&lt;span&gt;G&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;x&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;.&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;p&gt;Then we have the Bloch states in the plane wave basis as&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣ψnk⟩=∑GCnG(k)∣k+G⟩.\begin{align}
\ket{\psi_{nk}}
&amp;amp;=
\sum_G
C_{nG}(k)\ket{k+G}.
\end{align}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ψ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;nk&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;G&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∑&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;C&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;n&lt;/span&gt;&lt;span&gt;G&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;+&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;G&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;.&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;p&gt;Then the eigenvalue problem can be written as&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∑G′⟨k+G∣H^∣k+G′⟩CnG′(k)=EnkCnG(k).\begin{align}
\sum_{G&apos;}\bra{k+G}\hat H\ket{k+G&apos;}C_{nG&apos;}(k)
&amp;amp;=
E_{nk}C_{nG}(k).
\end{align}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;G&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;′&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∑&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;⟨&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;+&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;G&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;H&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;^&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;+&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;G&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;′&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;C&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;n&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;G&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;′&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;E&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;nk&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;C&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;n&lt;/span&gt;&lt;span&gt;G&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;.&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;section&gt;&lt;h4&gt;Kinetic energy&lt;a href=&quot;#kinetic-energy&quot;&gt;&lt;span&gt;#&lt;/span&gt;&lt;/a&gt;&lt;/h4&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;⟨k+G∣T^∣k+G′⟩=ℏ22m(k+G)2δGG′\begin{align}
\bra{k+G}\hat T\ket{k+G&apos;}
&amp;amp;=
\frac{\hbar^2}{2m}(k+G)^2\delta_{GG&apos;}
\end{align}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;⟨&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;+&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;G&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;T&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;^&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;+&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;G&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;′&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;span&gt;m&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ℏ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;+&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;G&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;δ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;G&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;G&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;′&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;p&gt;which is the diagonal term&lt;/p&gt;&lt;/section&gt;&lt;section&gt;&lt;h4&gt;Potential energy&lt;a href=&quot;#potential-energy&quot;&gt;&lt;span&gt;#&lt;/span&gt;&lt;/a&gt;&lt;/h4&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;⟨k+G∣V^∣k+G′⟩=VG−G′\begin{align}
\bra{k+G}\hat V\ket{k+G&apos;}
&amp;amp;=
V_{G-G&apos;}
\end{align}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;⟨&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;+&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;G&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;V&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;^&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;+&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;G&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;′&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;V&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;G&lt;/span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;G&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;′&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;p&gt;In order to find the off-diagonal term, we can use the Fourier transformation to get the potential in the reciprocal space&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;VG=1a∫0aV(x)e−iGxdx\begin{align}
V_G
&amp;amp;=
\frac{1}{a}\int_0^a  V(x)e^{-iGx} dx
\end{align} &lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;V&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;G&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;a&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∫&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;a&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;V&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;x&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;e&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;i&lt;/span&gt;&lt;span&gt;G&lt;/span&gt;&lt;span&gt;x&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;d&lt;/span&gt;&lt;span&gt;x&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;VG=−V0a∑R∈Λ∫0a[g(x−R)+g(x−R−d)]e−iGxdx\begin{aligned}
V_G=
-\frac{V_0}{a}\sum_{R\in \Lambda} \int_0^a [g(x-R) + g(x-R-d)] e^{-iGx} dx
\end{aligned}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;V&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;G&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;a&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;V&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∈&lt;/span&gt;&lt;span&gt;Λ&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∑&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∫&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;a&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;[&lt;/span&gt;&lt;span&gt;g&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;x&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;+&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;g&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;x&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;d&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)]&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;e&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;i&lt;/span&gt;&lt;span&gt;G&lt;/span&gt;&lt;span&gt;x&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;d&lt;/span&gt;&lt;span&gt;x&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;p&gt;here we only show the contribution from the first term, the second term is similar&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;VG(1)=−V0a∫0a∑R∈Λg(x−R)e−iGxdx=−V0a∑m∈Z∫0ae−(x−ma)22σ2e−iGxdx=−V0a∑m∈Z∫−maa−mae−x22σ2e−iG(x+ma)dx\begin{aligned}
V_G^{(1)}
&amp;amp;=
-\frac{V_0}{a}\int_0^a \sum_{R\in \Lambda}  g(x-R) e^{-iGx} dx
\\
&amp;amp;=
-\frac{V_0}{a} \sum_{m \in \mathbb{Z}} \int_{0}^{a}  e^{-\frac{(x-ma)^2}{2\sigma^2}} e^{-iGx} dx
\\
&amp;amp;=
-\frac{V_0}{a}  \sum_{m \in \mathbb{Z}} \int_{-ma}^{a-ma}  e^{-\frac{x^2}{2\sigma^2}} e^{-iG(x+m a)} dx
\\
\end{aligned}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;V&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;G&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;a&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;V&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∫&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;a&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∈&lt;/span&gt;&lt;span&gt;Λ&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∑&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;g&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;x&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;e&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;i&lt;/span&gt;&lt;span&gt;G&lt;/span&gt;&lt;span&gt;x&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;d&lt;/span&gt;&lt;span&gt;x&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;a&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;V&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&l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enumerates all the integers&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;e−iGma=e−i2πajma=1e^{-iGma} = e^{-i\frac{2\pi}{a}jm a} = 1&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;e&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;i&lt;/span&gt;&lt;span&gt;G&lt;/span&gt;&lt;span&gt;ma&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;e&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;i&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;a&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;span&gt;π&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;j&lt;/span&gt;&lt;span&gt;ma&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;VG(1)=−V0a∫−∞∞e−x22σ2e−iGxdx=−V0a2πσe−G2σ22V_G^{(1)}
=
-\frac{V_0}{a}  \int_{-\infty}^{\infty} e^{-\frac{x^2}{2\sigma^2}} e^{-iGx} dx
=
-\frac{V_0}{a} \sqrt{2\pi}\sigma e^{-\frac{G^2\sigma^2}{2}}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;V&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;G&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;a&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;V&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∫&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∞&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∞&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;e&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;σ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;x&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;e&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;i&lt;/span&gt;&lt;span&gt;G&lt;/span&gt;&lt;span&gt;x&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;d&lt;/span&gt;&lt;span&gt;x&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;a&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;V&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;span&gt;π&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;σ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;e&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;G&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;σ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;p&gt;The second term is similar, we can get the final result&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;VG=−V0a2πσe−G2σ22(1+e−iGd)\begin{align}
V_G
&amp;amp;=
-\frac{V_0}{a} \sqrt{2\pi}\sigma e^{-\frac{G^2\sigma^2}{2}}(1+e^{-iGd})
\end{align}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;V&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;G&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;a&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;V&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;span&gt;π&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;σ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;e&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;G&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;σ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;+&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;e&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;i&lt;/span&gt;&lt;span&gt;G&lt;/span&gt;&lt;span&gt;d&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;p&gt;so the potential entry is&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;VG−G′=−V0a2πσe−(G−G′)2σ22(1+e−i(G−G′)d)\begin{align}
V_{G-G&apos;}
&amp;amp;=
-\frac{V_0}{a} \sqrt{2\pi}\sigma e^{-\frac{(G-G&apos;)^2\sigma^2}{2}}(1+e^{-i(G-G&apos;)d})
\end{align}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;V&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;G&lt;/span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;G&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;′&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;a&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;V&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;span&gt;π&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;σ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;e&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;G&lt;/span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;G&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;′&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;σ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;+&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;e&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;i&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;G&lt;/span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;G&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;′&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;d&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&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the Hamiltonian entry&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;⟨k+G∣H^∣k+G′⟩=−V0a2πσe−(G−G′)2σ22(1+e−i(G−G′)d)+ℏ22m(k+G)2δGG′\begin{align}
\bra{k+G}\hat H\ket{k+G&apos;}
&amp;amp;=
-\frac{V_0}{a} \sqrt{2\pi}\sigma e^{-\frac{(G-G&apos;)^2\sigma^2}{2}}(1+e^{-i(G-G&apos;)d}) + \frac{\hbar^2}{2m}(k+G)^2\delta_{GG&apos;}
\end{align}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;⟨&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;+&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;G&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;H&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;^&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;+&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;G&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;′&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;a&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;V&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;span&gt;π&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;σ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;e&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;G&lt;/span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;G&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;′&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;σ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;+&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;e&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;i&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;G&lt;/span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;G&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;′&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;d&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;+&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;span&gt;m&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ℏ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;+&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;G&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;δ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;G&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;G&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;′&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;p&gt;we can construct the Hamiltonian matrix and diagonalize it at any given &lt;span&gt;&lt;span&gt;kk&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt; point to get the band structure. We take total 111 dimension with &lt;span&gt;&lt;span&gt;G=−552πa,−542πa,⋯ ,552πaG = -55\frac{2\pi}{a}, -54\frac{2\pi}{a}, \cdots, 55\frac{2\pi}{a}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;G&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;55&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;a&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;span&gt;π&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;54&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;a&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;span&gt;π&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⋯&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;55&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;a&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;span&gt;π&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;, the proper parameters are selected. We get the lowest band structure as shown in the figure below.
&lt;/p&gt;&lt;figure&gt;&lt;img alt=&quot;band structure&quot; loading=&quot;lazy&quot; width=&quot;2852&quot; height=&quot;1047&quot; src=&quot;/_astro/ssh_plane_wave_bands.CJMatCtG_2g26u6.webp&quot; srcset=&quot;/_astro/ssh_plane_wave_bands.CJMatCtG_ENk4W.webp 640w, /_astro/ssh_plane_wave_bands.CJMatCtG_Z10xVYC.webp 750w, /_astro/ssh_plane_wave_bands.CJMatCtG_19enC5.webp 828w, /_astro/ssh_plane_wave_bands.CJMatCtG_1LvvQG.webp 1080w, /_astro/ssh_plane_wave_bands.CJMatCtG_17v9Dm.webp 1280w, /_astro/ssh_plane_wave_bands.CJMatCtG_2o5bP0.webp 1668w, /_astro/ssh_plane_wave_bands.CJMatCtG_R2DJ.webp 2048w, /_astro/ssh_plane_wave_bands.CJMatCtG_18c9yN.webp 2560w, /_astro/ssh_plane_wave_bands.CJMatCtG_2g26u6.webp 2852w&quot; /&gt;&lt;figcaption&gt;band structure&lt;/figcaption&gt;&lt;/figure&gt;&lt;p&gt;&lt;/p&gt;&lt;/section&gt;&lt;/section&gt;&lt;section&gt;&lt;h3&gt;Tight-binding approximation&lt;a href=&quot;#tight-binding-approximation&quot;&gt;&lt;span&gt;#&lt;/span&gt;&lt;/a&gt;&lt;/h3&gt;&lt;p&gt;In practical calculation, we only care about the specific bands of the system, which is usually near the Fermi surface, or with nontrivial topological structures by selecting an energy window to construct a subspace. The lowest two plane-wave bands are separated from the higher-energy bands by a finite gap and therefore form a well-defined two-dimensional invariant subspace. We would like to describe this subspace using two localized orbitals per unit cell.&lt;/p&gt;&lt;p&gt;Suppose we have 2 orbitals in the 2 positions of the unit cell as &lt;span&gt;&lt;span&gt;∣A,R⟩\ket{A, R}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;A&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt; and &lt;span&gt;&lt;span&gt;∣B,R⟩\ket{B, R}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;B&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;, we can write Hopping term&lt;/p&gt;&lt;ul&gt;
&lt;li&gt;Onsite
&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;⟨A,R∣H^∣A,R⟩=⟨B,R∣H^∣B,R⟩=ϵ0\begin{align}
\bra{A, R}\hat H\ket{A, R}
&amp;amp;=
\bra{B, R}\hat H\ket{B, R}
=
\epsilon_0
\end{align}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;⟨&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;A&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;H&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;^&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;A&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;⟨&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;B&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;H&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;^&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;B&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ϵ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;
&lt;/li&gt;
&lt;li&gt;Inter-cell same site
&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;⟨A,R∣H^∣A,R+a⟩=⟨B,R∣H^∣B,R+a⟩=t0\begin{align}
\bra{A, R}\hat H\ket{A, R+a}
&amp;amp;=
\bra{B, R}\hat H\ket{B, R+a}
=
t_0
\end{align}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;⟨&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;A&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;H&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;^&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;A&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;+&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;a&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;⟨&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;B&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;H&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;^&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;B&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;+&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;a&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;t&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;
&lt;/li&gt;
&lt;li&gt;Intra-cell
&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;⟨A,R∣H^∣B,R⟩=t1\begin{align}
\bra{A, R}\hat H\ket{B, R}
&amp;amp;=
t_1
\end{align}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;⟨&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;A&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;H&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;^&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;B&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;t&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;
&lt;/li&gt;
&lt;li&gt;Inter-cell different site
&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;⟨A,R+a∣H^∣B,R⟩=t2\begin{align}
\bra{A, R+a}\hat H\ket{B, R}
&amp;amp;=
t_2
\end{align}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;⟨&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;A&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;+&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;a&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;H&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;^&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;B&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;t&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;
&lt;/li&gt;
&lt;/ul&gt;&lt;p&gt;Second quantization form&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;H^ext=∑Rϵ0(c^A,R†c^A,R+c^B,R†c^B,R)+∑R[t0(c^A,R+a†c^A,R+c^B,R+a†c^B,R)+h.c.]+∑R[t1c^A,R†c^B,R+t2c^A,R+a†c^B,R+h.c.].\begin{align}
\hat H_{\mathrm{ext}}
={}&amp;amp;
\sum_R
\epsilon_0
\left(
\hat c_{A,R}^\dagger\hat c_{A,R}
+
\hat c_{B,R}^\dagger\hat c_{B,R}
\right)
+
\sum_R
\left[
t_0
\left(
\hat c_{A,R+a}^\dagger\hat c_{A,R}
+
\hat c_{B,R+a}^\dagger\hat c_{B,R}
\right)
+\mathrm{h.c.}
\right]
\notag
\\
&amp;amp;+
\sum_R
\left[
t_1\hat c_{A,R}^\dagger\hat c_{B,R}
+
t_2\hat c_{A,R+a}^\dagger\hat c_{B,R}
+
\mathrm{h.c.}
\right].
\end{align}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;H&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;^&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ext&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∑&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ϵ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;c&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;^&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;A&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;†&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;c&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;^&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;A&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;+&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;c&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;^&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;B&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;†&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;c&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;^&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;B&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/sp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transforming the annihilation and creation operators&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;c^A,R=1N∑keikRc^A,kc^B,R=1N∑keikRc^B,k\begin{align}
\hat c_{A,R}
&amp;amp;=
\frac{1}{\sqrt N}
\sum_k
e^{ikR}
\hat c_{A,k} \notag
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\hat c_{B,R}
&amp;amp;=
\frac{1}{\sqrt N}
\sum_k
e^{ikR}
\hat c_{B,k}
\end{align}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;c&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;^&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;A&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;c&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;^&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;B&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;N&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∑&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;e&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ik&lt;/span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;c&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;^&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;A&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;N&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt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can write the Hamiltonian in the momentum space by&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;H^=∑kΨk†H(k)Ψk\begin{align}
\hat H = \sum_k \Psi_k^\dagger H(k) \Psi_k
\end{align}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;H&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;^&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∑&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;Ψ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;†&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;H&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;Ψ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;p&gt;where &lt;span&gt;&lt;span&gt;Ψk=[c^A,k,c^B,k]T\Psi_k = [\hat c_{A,k}, \hat c_{B,k}]^T&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;Ψ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;[&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;c&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;^&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;A&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;c&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;^&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;B&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;]&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;T&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt; and the Hamiltonian matrix is&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;H(k)=[ϵ0+2t0cos⁡(ka)t1+t2e−ikat1+t2eikaϵ0+2t0cos⁡(ka)]\begin{align}
H(k)
&amp;amp;=
\begin{bmatrix}
\epsilon_0 + 2t_0\cos(ka) &amp;amp; t_1 + t_2 e^{-ika} \\
t_1 + t_2 e^{ika} &amp;amp; \epsilon_0 + 2t_0\cos(ka)
\end{bmatrix}
\end{align}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;H&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;[&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ϵ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;+&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;t&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;cos&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;span&gt;a&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;t&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;+&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;t&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;e&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ik&lt;/span&gt;&lt;span&gt;a&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;t&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;+&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;t&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;e&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;ik&lt;/span&gt;&lt;span&gt;a&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ϵ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;+&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;t&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;cos&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;span&gt;a&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;]&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;p&gt;(&lt;span&gt;&lt;span&gt;ϵ0,t0,t1,t2∈R\epsilon_0, t_0, t_1, t_2 \in \mathbb{R}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ϵ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;t&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;t&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;t&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∈&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;)&lt;/p&gt;&lt;p&gt;With the proper parameters, we can get the band structure as shown below.
&lt;/p&gt;&lt;figure&gt;&lt;img alt=&quot;TB band structure&quot; loading=&quot;lazy&quot; width=&quot;1508&quot; height=&quot;1119&quot; src=&quot;/_astro/ssh_tight_binding_bands.KJczP02r_Zr9rRJ.webp&quot; srcset=&quot;/_astro/ssh_tight_binding_bands.KJczP02r_Z1xAugR.webp 640w, /_astro/ssh_tight_binding_bands.KJczP02r_Z272hsG.webp 750w, /_astro/ssh_tight_binding_bands.KJczP02r_Z228xjc.webp 828w, /_astro/ssh_tight_binding_bands.KJczP02r_iOm6P.webp 1080w, /_astro/ssh_tight_binding_bands.KJczP02r_Z1VwSAw.webp 1280w, /_astro/ssh_tight_binding_bands.KJczP02r_Zr9rRJ.webp 1508w&quot; /&gt;&lt;figcaption&gt;TB band structure&lt;/figcaption&gt;&lt;/figure&gt;&lt;p&gt;&lt;/p&gt;&lt;/section&gt;&lt;section&gt;&lt;h3&gt;Where Wannier Enters&lt;a href=&quot;#where-wannier-enters&quot;&gt;&lt;span&gt;#&lt;/span&gt;&lt;/a&gt;&lt;/h3&gt;&lt;p&gt;The two calculations above reveal the trade-off between the plane-wave
and tight-binding descriptions. The plane-wave method solves the
continuum Hamiltonian in a large and delocalized basis. However, the resulting Hamiltonian is large and its
real-space interpretation is not immediately transparent.&lt;/p&gt;&lt;p&gt;The extended SSH model takes the opposite approach. It assumes two
localized orbitals, &lt;span&gt;&lt;span&gt;∣A,R⟩\ket{A,R}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;A&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt; and &lt;span&gt;&lt;span&gt;∣B,R⟩\ket{B,R}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;B&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;, and retains only a small
number of hopping parameters. The resulting &lt;span&gt;&lt;span&gt;2×22\times2&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;×&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt; Hamiltonian is
simple and physically intuitive. However,
the model itself does not tell us what the two orbital wave functions
actually are, nor does it determine the values of
&lt;span&gt;&lt;span&gt;ϵ0,t0,t1,\epsilon_0,t_0,t_1,&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ϵ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;t&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;t&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt; and &lt;span&gt;&lt;span&gt;t2t_2&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;t&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;. In the example above, these parameters
were fitted manually to the plane-wave band structure.&lt;/p&gt;&lt;p&gt;Wannierization provides the missing connection between these two
descriptions. Starting from the isolated two-band subspace obtained in
the plane-wave calculation, it constructs two localized Wannier
functions per unit cell. In the MLWF method,
the gauge freedom of the Bloch states is chosen by minimizing the
real-space spread of these functions. The states &lt;span&gt;&lt;span&gt;∣A,R⟩\ket{A,R}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;A&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt; and
&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣B,R⟩\ket{B,R}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∣&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;B&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⟩&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt; in the tight-binding model can therefore be replaced by
explicitly constructed Wannier functions rather than assumed atomic-like
orbitals.&lt;/p&gt;&lt;p&gt;Once the Wannier basis has been constructed, the original Hamiltonian is
represented by the real-space matrix elements as shown in Eq. (12).&lt;/p&gt;&lt;p&gt;The onsite energies and hopping parameters are then identified from
these matrix elements. For example,&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ϵ0∼H11(0),t1∼H12(0),t0∼H11(a),t2∼H12(−a).\begin{align}
\epsilon_0
&amp;amp;\sim H_{11}(0),
&amp;amp;
t_1
&amp;amp;\sim H_{12}(0), \notag
\\
t_0
&amp;amp;\sim H_{11}(a),
&amp;amp;
t_2
&amp;amp;\sim H_{12}(-a).
\end{align}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ϵ&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;t&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∼&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;H&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;11&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∼&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;H&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;11&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;a&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;t&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;1&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;t&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;2&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∼&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;H&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;12&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;0&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;,&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∼&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;H&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;12&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;−&lt;/span&gt;&lt;span&gt;a&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;.&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;p&gt;Unlike the SSH model above, the Wannier Hamiltonian also reveals
longer-ranged hopping processes whenever their matrix elements are
non-negligible. A practical tight-binding model is obtained by choosing
a real-space cutoff and retaining the relevant matrix elements:&lt;/p&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;Hmn(k)=∑R∈cutoff seteik⋅RHmn(R).\begin{align}
H_{mn}(k)
&amp;amp;=
\sum_{R \in \text{cutoff set}}
e^{ik \cdot R}
H_{mn}(R).
\end{align}&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;H&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;mn&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;k&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;=&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;span&gt;∈&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;cutoff set&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;∑&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;e&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;ik&lt;/span&gt;&lt;span&gt;⋅&lt;/span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;H&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;mn&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&gt;R&lt;/span&gt;&lt;span&gt;)&lt;/span&gt;&lt;span&gt;.&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;​&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;/span&gt;&lt;p&gt;Wannierization does more than provide another tight-binding
model. It systematically derives the localized basis and its hopping
parameters from the original plane-wave calculation, while allowing the accuracy
and complexity of the effective model to be controlled through the
real-space cutoff. With the real-space Wannier Hamiltonian, position operator, and other physical operators represented in the Wannier basis, we gain efficient access to these physical quantities. &lt;strong&gt;Wannierization does not change the physics; it changes the language in which the physics becomes transparent.&lt;/strong&gt;&lt;/p&gt;&lt;p&gt;References:&lt;/p&gt;&lt;p&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;1. F. Bloch, “Über die Quantenmechanik der Elektronen in Kristallgittern,” &lt;em&gt;Z. Phys.&lt;/em&gt; &lt;strong&gt;52&lt;/strong&gt;, 555–600 (1929), DOI: &lt;a href=&quot;https://doi.org/10.1007/BF01339455&quot; target=&quot;_blank&quot;&gt;10.1007/BF01339455&lt;/a&gt;.&lt;/p&gt;&lt;p&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;2. G. H. Wannier, “The Structure of Electronic Excitation Levels in Insulating Crystals,” &lt;em&gt;Phys. Rev.&lt;/em&gt; &lt;strong&gt;52&lt;/strong&gt;, 191–197 (1937), DOI: &lt;a href=&quot;https://doi.org/10.1103/PhysRev.52.191&quot; target=&quot;_blank&quot;&gt;10.1103/PhysRev.52.191&lt;/a&gt;.&lt;/p&gt;&lt;p&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;3. N. Marzari and D. Vanderbilt, “Maximally Localized Generalized Wannier Functions for Composite Energy Bands,” &lt;em&gt;Phys. Rev. B&lt;/em&gt; &lt;strong&gt;56&lt;/strong&gt;, 12847–12865 (1997), DOI: &lt;a href=&quot;https://doi.org/10.1103/PhysRevB.56.12847&quot; target=&quot;_blank&quot;&gt;10.1103/PhysRevB.56.12847&lt;/a&gt;.&lt;/p&gt;&lt;p&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;4. I. Souza, N. Marzari, and D. Vanderbilt, “Maximally Localized Wannier Functions for Entangled Energy Bands,” &lt;em&gt;Phys. Rev. B&lt;/em&gt; &lt;strong&gt;65&lt;/strong&gt;, 035109 (2001), DOI: &lt;a href=&quot;https://doi.org/10.1103/PhysRevB.65.035109&quot; target=&quot;_blank&quot;&gt;10.1103/PhysRevB.65.035109&lt;/a&gt;.&lt;/p&gt;&lt;p&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;5. A. A. Mostofi &lt;em&gt;et al.&lt;/em&gt;, “wannier90: A Tool for Obtaining Maximally-Localised Wannier Functions,” &lt;em&gt;Comput. Phys. Commun.&lt;/em&gt; &lt;strong&gt;178&lt;/strong&gt;, 685–699 (2008), DOI: &lt;a href=&quot;https://doi.org/10.1016/j.cpc.2007.11.016&quot; target=&quot;_blank&quot;&gt;10.1016/j.cpc.2007.11.016&lt;/a&gt;.&lt;/p&gt;&lt;p&gt;&lt;span&gt;&lt;/span&gt;6. N. Marzari &lt;em&gt;et al.&lt;/em&gt;, “Maximally Localized Wannier Functions: Theory and Applications,” &lt;em&gt;Rev. Mod. Phys.&lt;/em&gt; &lt;strong&gt;84&lt;/strong&gt;, 1419–1475 (2012), DOI: &lt;a href=&quot;https://doi.org/10.1103/RevModPhys.84.1419&quot; target=&quot;_blank&quot;&gt;10.1103/RevModPhys.84.1419&lt;/a&gt;.&lt;/p&gt;&lt;p&gt;&lt;/p&gt;&lt;figure&gt;&lt;img alt=&quot;sigrika&quot; loading=&quot;lazy&quot; width=&quot;3000&quot; height=&quot;4818&quot; src=&quot;/_astro/sigrika.DkWXp5Gl_lz3cV.webp&quot; srcset=&quot;/_astro/sigrika.DkWXp5Gl_Z3SqRN.webp 640w, /_astro/sigrika.DkWXp5Gl_2oAvXo.webp 750w, /_astro/sigrika.DkWXp5Gl_Z55cny.webp 828w, /_astro/sigrika.DkWXp5Gl_e2RXu.webp 1080w, /_astro/sigrika.DkWXp5Gl_2flDAn.webp 1280w, /_astro/sigrika.DkWXp5Gl_3Mxm9.webp 1668w, /_astro/sigrika.DkWXp5Gl_Z2bNrGJ.webp 2048w, /_astro/sigrika.DkWXp5Gl_nQ3GG.webp 2560w, /_astro/sigrika.DkWXp5Gl_lz3cV.webp 3000w&quot; /&gt;&lt;figcaption&gt;sigrika&lt;/figcaption&gt;&lt;/figure&gt;&lt;p&gt;&lt;/p&gt;&lt;/section&gt;&lt;/section&gt;&lt;/section&gt;</content:encoded></item><item><title>The First Post for NitreneGlog!!!</title><link>https://nitrene.fun/posts/first-post/</link><guid isPermaLink="true">https://nitrene.fun/posts/first-post/</guid><description>Welcome to NitreneGlog, a soft archive for essays, projects, images, and living fragments. This is the first post of the blog, and it serves as an introduction to the content and purpose of the site.</description><pubDate>Thu, 23 Jul 2026 00:00:00 GMT</pubDate><content:encoded>&lt;section&gt;&lt;h2&gt;Congratulations on the First Post of NitreneGlog!&lt;a href=&quot;#congratulations-on-the-first-post-of-nitreneglog&quot;&gt;&lt;span&gt;#&lt;/span&gt;&lt;/a&gt;&lt;/h2&gt;&lt;p&gt;Born on June 30, 2026, NitreneGlog has once been built as a static site and then with &lt;code&gt;halo&lt;/code&gt; system, and now, it has been rebuilt with &lt;code&gt;Astro&lt;/code&gt; framework with &lt;code&gt;Firefly&lt;/code&gt; theme. It is finally ready to share the first post with the world at 03:06 a.m. (UTC+8) on July 23, 2026!!! Congratulations!!!&lt;/p&gt;&lt;/section&gt;</content:encoded></item></channel></rss>