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Homework III

exercise 3.1

Q:UU 为酉矩阵,试证明 UρUU\rho U^\dagger 仍为密度矩阵

A:

  1. 证明厄密性

    (UρU)=(U)(Uρ)=UρU=UρU(1)(U\rho U^\dagger) ^\dagger=(U^\dagger)^\dagger(U\rho)^\dagger=U\rho^\dagger U^\dagger=U\rho U^\dagger \tag{1}

  2. UρUU\rho U^\dagger 的迹为1

    考虑迹的轮换性(详情见 ep.1 的 exercise 1.1)

    Tr((UρU)=Tr(UUρ)=Tr(ρ)=1(2)Tr((U\rho U^\dagger)=Tr(U^\dagger U\rho)=Tr(\rho)=1 \tag{2}

  3. 证明半正定性(已知 ρ\rho 满足半正定性 Tr(ρ2)1Tr(\rho^2)\le1

    Tr(UρUUρU)=Tr(Uρ2U)=Tr(ρ2)1(3)Tr(U\rho U^\dagger U\rho U^\dagger)=Tr(U\rho^2 U^\dagger)=Tr(\rho^2)\le1 \tag{3}

本题通过利用密度矩阵的性质来证明 UρUU\rho U^\dagger 仍是密度矩阵,如果满足厄密性、迹等于1和满足半正定性的话,我们就可以认为该矩阵为密度矩阵。

exercise 3.2

Q:试计算下述量子态的 Bloch 矢量:

  1. ψ=12(0+i1)\ket{\psi}=\frac{1}{\sqrt{2}}(\ket{0}+i\ket{1})
  2. ψ=1302i31\ket{\psi}=\frac{1}{\sqrt{3}}\ket{0}-\frac{\sqrt{2}i}{\sqrt{3}}\ket{1}
  3. ρ=[1/4i2/5i2/53/4]\rho=\begin{bmatrix}1/4 &i2/5\\-i2/5 &3/4\end{bmatrix}

A:

  1. 求密度矩阵:

    ρ=ψψ=12(00i01+i10+11)=12[1ii1]=12(I+nσ)(4)\begin{align} \rho=\ket{\psi}\bra{\psi}&=\frac12(\ket{0}\bra{0}-i\ket{0}\bra{1}+i\ket{1}\bra{0}+\ket{1}\bra{1})\\ &=\frac12\begin{bmatrix}1 &-i\\i &1\end{bmatrix}=\frac12(\mathbb{I}+\vec{n}\cdot\vec{\sigma}) \end{align} \tag{4}

    对 xyz 三个方向投影:

    nx=Tr(ρσx)=Tr(12[1ii1][0110])=0ny=Tr(ρσy)=Tr(12[1ii1][0ii0])=1nz=Tr(ρσz)=Tr(12[1ii1][1001])=0(5)\begin{align} n_x&=Tr(\rho \sigma_x)=Tr(\frac12\begin{bmatrix}1 &-i\\i &1\end{bmatrix}\begin{bmatrix}0 &1\\1 &0\end{bmatrix})=0\\ n_y&=Tr(\rho \sigma_y)=Tr(\frac12\begin{bmatrix}1 &-i\\i &1\end{bmatrix}\begin{bmatrix}0 &-i\\i &0\end{bmatrix})=1\\ n_z&=Tr(\rho \sigma_z)=Tr(\frac12\begin{bmatrix}1 &-i\\i &1\end{bmatrix}\begin{bmatrix}1 &0\\0 &-1\end{bmatrix})=0 \end{align} \tag{5}

    因此得到 Bloch 矢量 n=(0,1,0)\vec{n}=(0,1,0)

  2. 同理:

    ρ=ψψ=1300+2i3012i310+2311=[1323i23i23]=12(I+nσ)(6)\begin{align} \rho=\ket{\psi}\bra{\psi}&=\frac13\ket{0}\bra{0}+\frac{\sqrt2i}{3}\ket{0}\bra{1}-\frac{\sqrt2i}{3}\ket{1}\bra{0}+\frac23\ket{1}\bra{1}\\ &=\begin{bmatrix}\frac13 &\frac{\sqrt2}3i\\-\frac{\sqrt2}3i &\frac23\end{bmatrix}=\frac12(\mathbb{I}+\vec{n}\cdot\vec{\sigma}) \end{align} \tag{6}

    对 xyz 三个方向投影:

    nx=Tr(ρσx)=Tr(13[12i2i2][0110])=0ny=Tr(ρσy)=Tr(13[12i2i2][0ii0])=223nz=Tr(ρσz)=Tr(13[12i2i2][1001])=13(7)\begin{align} n_x&=Tr(\rho \sigma_x)=Tr(\frac13\begin{bmatrix}1 &\sqrt2i\\-\sqrt2i &2\end{bmatrix}\begin{bmatrix}0 &1\\1 &0\end{bmatrix})=0\\ n_y&=Tr(\rho \sigma_y)=Tr(\frac13\begin{bmatrix}1 &\sqrt2i\\-\sqrt2i &2\end{bmatrix}\begin{bmatrix}0 &-i\\i &0\end{bmatrix})=-\frac{2\sqrt2}{3}\\ n_z&=Tr(\rho \sigma_z)=Tr(\frac13\begin{bmatrix}1 &\sqrt2i\\-\sqrt2i &2\end{bmatrix}\begin{bmatrix}1 &0\\0 &-1\end{bmatrix})=-\frac13 \end{align} \tag{7}

    得到 Bloch 矢量 n=(0,223,13)\vec{n}=(0,-\frac{2\sqrt2}{3},-\frac13)

  3. 已经得到密度矩阵,投影:

    nx=Tr(ρσx)=Tr([1/4i2/5i2/53/4][0110])=0ny=Tr(ρσy)=Tr([1/4i2/5i2/53/4][0ii0])=45nz=Tr(ρσz)=Tr([1/4i2/5i2/53/4][1001])=12(8)\begin{align} n_x&=Tr(\rho \sigma_x)=Tr(\begin{bmatrix}1/4 &i2/5\\-i2/5 &3/4\end{bmatrix}\begin{bmatrix}0 &1\\1 &0\end{bmatrix})=0\\ n_y&=Tr(\rho \sigma_y)=Tr(\begin{bmatrix}1/4 &i2/5\\-i2/5 &3/4\end{bmatrix}\begin{bmatrix}0 &-i\\i &0\end{bmatrix})=-\frac45\\ n_z&=Tr(\rho \sigma_z)=Tr(\begin{bmatrix}1/4 &i2/5\\-i2/5 &3/4\end{bmatrix}\begin{bmatrix}1 &0\\0 &-1\end{bmatrix})=-\frac12 \end{align} \tag{8}

    得到 Bloch 矢量 n=(0,45,12)\vec{n}=(0,-\frac45,-\frac12)

作为一个可以将单个 qubit 态非常直观地展现出来的工具,Bloch 球包含了许多值得挖掘的信息和特性。在 exercise 2.3 中我大概介绍了 Bloch 球的引入原因和一些帮我们构建 Bloch 球和量子态之间关系的元素。在本题中我们可以看到,由 Bloch 球衍生出的 Bloch 矢量和量子态之间是可以相互转化的。类比欧拉几何空间中我们将一个普通的矢量做内积投影到各个基矢量上,我们把量子态和二维希尔伯特空间的基——Pauli 矩阵做矩阵乘法然后再求迹,由此可得到某量子态在各个方向上的投影。同时,利用 Bloch 矢量可以判断是否为纯态,如本题的1、2问得到的 n\vec{n} 的模都是1,那么这两问的量子态都是纯态,而第三问 n<1\vec{n}<1 则是混合态。

除此之外,Bloch 球还有一些有意思的性质如:Bloch球面上中心对称的两个矢量对应的态是正交的;Bloch 球面上任意两点 AABB 的连线上的任何一点 CC 所表征的混合态都能被球面上 AABB 这两点所表征的纯态分解:ρC=CBABρA+(1CBABρB)\rho_C=\frac{CB}{AB}\rho_A+(1-\frac{CB}{AB}\rho_B),详情见東雲正樹大佬的文章

另,补充 Bloch 矢量转化为量子态的公式,对应点 ψ(cosφsinθ,sinφsinθ,cosθ)\psi\left(cos\varphi\sin\theta,sin\varphi\sin\theta,\cos\theta\right)

ψ=cosθ20+eiφsinθ21(9)|\psi\rangle=\cos\frac\theta2|0\rangle+e^{i\varphi}\sin\frac\theta2|1\rangle \tag{9}

exercise 3.3

Q:给定 U=eiωt2σzU=e^{-i\frac{\omega t}2\sigma_z},试得到 ρ=Uρ0U\rho=U\rho_0U^\dagger 的微分方程

A:有:

ρ(t)=Uρ0U=eiωt2σzρ0eiωt2σz(10)\rho(t)=U\rho_0U^\dagger=e^{-i\frac{\omega t}2\sigma_z}\rho_0 e^{i\frac{\omega t}2\sigma_z} \tag{10}

对等式两边同时求导:

dρ(t)dt=dUdtρ0U+Uρ0dUdt=(iω2σz)Uρ0U+Uρ0U(iω2σz)=i[ω2σzρ(t)ρ(t)ω2σz]=i[ω2σz,ρ(t)](11)\begin{align} \frac{\mathrm{d}\rho(t)}{\mathrm{d}t}&=\frac{\mathrm{d}U}{\mathrm{d}t}\rho_0U^\dagger+U\rho_0\frac{\mathrm{d}U^\dagger}{\mathrm{d}t}\\ &=(-i\frac{\omega}2\sigma_z)U\rho_0U^\dagger+U\rho_0U^\dagger(i\frac{\omega}2\sigma_z)\\ &=-i[\frac{\omega}2\sigma_z\rho(t)-\rho(t)\frac{\omega}2\sigma_z]\\ &=-i[\frac{\omega}2\sigma_z,\rho(t)] \end{align} \tag{11}

我认为此题主要展示了一下含矩阵的微分方程是怎么求的。与此相比更重要的是3.3和3.4共同的主题,即量子态的演化。两题中都出现了一个算符 U=eiωt2σzU=e^{-i\frac{\omega t}2\sigma_z},该算符为密度矩阵添加了一个时间因子,利用映射的方法获得了一个新的密度矩阵。3.4虽然不是带时间 tt 的算符,但是我们随时都可以把 ω\omega 转化为 ωt\omega t

dρ(t)dt=i[ω2σz,ρ(t)]\frac{\mathrm{d}\rho(t)}{\mathrm{d}t}=-i[\frac{\omega}2\sigma_z,\rho(t)] 和常见的薛定谔方程 itψ=H^ψi\hbar\frac{\partial}{\partial t}\ket{\psi}=\hat H\ket{\psi} 等价。

exercise 3.4

Q:假定初始态对应的 Bloch 向量为 (r,θ,ϕ)(r,\theta,\phi),试证明演化态 ρ=Uρ0U\rho=U\rho_0U^\dagger 对应的 Bloch 向量为 (r,θ,ϕ+ω)(r,\theta,\phi+\omega),其中 U=eiω2σzU=e^{-i\frac{\omega}2\sigma_z}

A:有:

ρ0=12(I+nσ)=12(I+rsinθcosϕσx+rsinθsinϕσy+rcosθσz)(12)\begin{align} \rho_0&=\frac12(\mathbb{I}+\vec{n}\cdot\vec{\sigma})\\ &=\frac12(\mathbb{I}+r\sin\theta\cos\phi\sigma_x+r\sin\theta\sin\phi\sigma_y+r\cos\theta\sigma_z) \end{align} \tag{12}

U=eiω2σzU=e^{-i\frac{\omega}2\sigma_z} 代入 ρ=Uρ0U\rho=U\rho_0U^\dagger 得:

ρ=Uρ0U=eiωt2σzρ0eiωt2σz=(Icosω2isinω2σz)12(I+rsinθcosϕσx+rsinθsinϕσy+rcosθσz)(Icosω2+isinω2σz)=12[I(cos2ω2+sin2ω2irsinω2cosθcosω2+ircosω2cosθsinω2)+σx(rcosω2sinθcosϕcosω2rsinω2sinθcosϕsinω2rsinω2sinθsinϕcosω2rcosω2sinθsinϕcosω2)+σy(rcosω2sinθsinϕcosω2rsinω2sinθsinϕsinω2+rsinω2sinθcosϕcosω2+rcosω2sinθcosϕsinω2)+σz(rcosω2cosθcosω2+rsinω2cosθsinω2isinω2cosω2+icosω2sinω2)]=12[I+rsinθcos(ϕ+ω)σx+rsinθsin(ϕ+ω)σy+rcosθσx](13)\begin{align} \rho &= U\rho_0U^\dagger=e^{-i\frac{\omega t}2\sigma_z}\rho_0e^{i\frac{\omega t}2\sigma_z}\\ &=(\mathbb{I}\cos\frac\omega2-i\sin\frac\omega2\sigma_z)\frac12(\mathbb{I}+r\sin\theta\cos\phi\sigma_x+r\sin\theta\sin\phi\sigma_y+r\cos\theta\sigma_z)(\mathbb{I}\cos\frac\omega2+i\sin\frac\omega2\sigma_z)\\ &=\frac12\big[\mathbb{I}(\cos^2\frac\omega2+\sin^2\frac\omega2-ir\sin\frac\omega2\cos\theta\cos\frac\omega2+ir\cos\frac\omega2\cos\theta\sin\frac\omega2)\\ &+\sigma_x(r\cos\frac\omega2\sin\theta\cos\phi\cos\frac\omega2-r\sin\frac\omega2\sin\theta\cos\phi\sin\frac\omega2\\ &-r\sin\frac\omega2\sin\theta\sin\phi\cos\frac\omega2-r\cos\frac\omega2\sin\theta\sin\phi\cos\frac\omega2)\\ &+\sigma_y(r\cos\frac\omega2\sin\theta\sin\phi\cos\frac\omega2-r\sin\frac\omega2\sin\theta\sin\phi\sin\frac\omega2\\ &+r\sin\frac\omega2\sin\theta\cos\phi\cos\frac\omega2+r\cos\frac\omega2\sin\theta\cos\phi\sin\frac\omega2)\\ &+\sigma_z(r\cos\frac\omega2\cos\theta\cos\frac\omega2+r\sin\frac\omega2\cos\theta\sin\frac\omega2-i\sin\frac\omega2\cos\frac\omega2+i\cos\frac\omega2\sin\frac\omega2)\big]\\ &=\frac12\big[\mathbb{I}+r\sin\theta\cos(\phi+\omega)\sigma_x+r\sin\theta\sin(\phi+\omega)\sigma_y+r\cos\theta\sigma_x\big] \end{align} \tag{13}

ρ\rho 的 Bloch 矢量为 (r,θ,ϕ+ω)(r,\theta,\phi+\omega)

exercise 3.5

Q:Suppose a 2-qubit pure state is of the form ΦAB=120(120+321)+121(320+121)\ket{\Phi}_{AB}=\frac{1}{\sqrt{2}}\ket{0}(\frac12\ket{0}+\frac{\sqrt3}{2}\ket{1})+\frac{1}{\sqrt{2}}\ket{1}(\frac{\sqrt3}2\ket{0}+\frac12\ket{1}), calculate the reduced density matrices ρA\rho_A and ρB\rho_B.

A:有 ΦAB=120(120+321)+121(320+121)\ket{\Phi}_{AB}=\frac{1}{\sqrt{2}}\ket{0}(\frac12\ket{0}+\frac{\sqrt3}{2}\ket{1})+\frac{1}{\sqrt{2}}\ket{1}(\frac{\sqrt3}2\ket{0}+\frac12\ket{1}) ,求密度矩阵:

ρA=TrB(ΦABΦAB)=TrB[120A(120B+321B)+121A(320B+121B)][120A(120B+321B)+121A(320B+121B)]=180A0ATr(0B0B)+380A0ATr(0B1B)+380A1ATr(0B0B)++181A1ATr(1B1B)=180A0A+380A1A+380A0A+380A1A+381A0A+381A1A+381A0A+181A1A=120A0A+340A1A+341A0A+121A1A(14)\begin{align} \rho_A&=Tr_B(\ket{\Phi}_{AB}\bra{\Phi}_{AB})\\ &=Tr_B[\frac1{\sqrt2}\ket{0}_A(\frac12\ket{0}_B+\frac{\sqrt3}2\ket{1}_B)+\frac1{\sqrt2}\ket{1}_A(\frac{\sqrt3}2\ket{0}_B+\frac12\ket{1}_B)]\\ &[\frac1{\sqrt2}\bra{0}_A(\frac12\bra{0}_B+\frac{\sqrt3}2\bra{1}_B)+\frac1{\sqrt2}\bra{1}_A(\frac{\sqrt3}2\bra{0}_B+\frac12\bra{1}_B)]\\ &=\frac18\ket{0}_A\bra{0}_ATr(\ket{0}_B\bra{0}_B)+\frac{\sqrt3}8\ket{0}_A\bra{0}_ATr(\ket{0}_B\bra{1}_B)\\ &+\frac{\sqrt3}8\ket{0}_A\bra{1}_ATr(\ket{0}_B\bra{0}_B)+\cdots+\frac18\ket{1}_A\bra{1}_ATr(\ket{1}_B\bra{1}_B)\\ &=\frac18\ket{0}_A\bra{0}_A+\frac{\sqrt3}8\ket{0}_A\bra{1}_A+\frac38\ket{0}_A\bra{0}_A+\frac{\sqrt3}8\ket{0}_A\bra{1}_A+\frac{\sqrt3}8\ket{1}_A\bra{0}_A\\ &+\frac38\ket{1}_A\bra{1}_A+\frac{\sqrt3}8\ket{1}_A\bra{0}_A+\frac18\ket{1}_A\bra{1}_A\\ &=\frac12\ket{0}_A\bra{0}_A+\frac{\sqrt3}4\ket{0}_A\bra{1}_A+\frac{\sqrt3}4\ket{1}_A\bra{0}_A+\frac12\ket{1}_A\bra{1}_A \end{align} \tag{14}

同理:

ρB=TrA(ΦABΦAB)=180B0B+380B1B+380B0B+380B1B+381B0B+381B1B+381B0B+181B1B=120B0B+340B1B+341B0B+121B1B(15)\begin{align} \rho_B&=Tr_A(\ket{\Phi}_{AB}\bra{\Phi}_{AB})\\ &=\frac18\ket{0}_B\bra{0}_B+\frac{\sqrt3}8\ket{0}_B\bra{1}_B+\frac38\ket{0}_B\bra{0}_B+\frac{\sqrt3}8\ket{0}_B\bra{1}_B+\frac{\sqrt3}8\ket{1}_B\bra{0}_B\\ &+\frac38\ket{1}_B\bra{1}_B+\frac{\sqrt3}8\ket{1}_B\bra{0}_B+\frac18\ket{1}_B\bra{1}_B\\ &=\frac12\ket{0}_B\bra{0}_B+\frac{\sqrt3}4\ket{0}_B\bra{1}_B+\frac{\sqrt3}4\ket{1}_B\bra{0}_B+\frac12\ket{1}_B\bra{1}_B \end{align} \tag{15}

这道题用到了一个操作叫 Partial Trace,正如它的名字一样,该操作只对大于一个 qubit 的量子态的一部分求迹,举个例子:

有量子态 Φ+=12(0A0B+1A1B)|\Phi^+\rangle=\frac{1}{\sqrt{2}}(|0_A0_B\rangle+|1_A1_B\rangle),只对 B qubit 求迹,则:

TrB(Φ+Φ+)=TrB[12(0A0B+1A1B)(0A0B+1A1B)]=12(0A0ATr(0B0B)+1A0ATr(1B0B)+0A1ATr(0B1B)+1A1ATr(1B1B)=12(0A0A+1A1A)(16)\begin{aligned} &Tr_{B}(\left|\Phi^{+}\right\rangle\left\langle\Phi^{+}\right|)=Tr_{B}\left[\frac{1}{2}(\left|0_{A}0_{B}\right\rangle+\left|1_{A}1_{B}\right\rangle)(\left\langle0_{A}0_{B}\right|+\left\langle1_{A}1_{B}\right|)\right] \\ &=\frac{1}{2}(|0_A\rangle\langle0_A| Tr(|0_B\rangle\langle0_B|)+|1_A\rangle\langle0_A| Tr(|1_B\rangle\langle0_B|)+|0_A\rangle\langle1_A| Tr(|0_B\rangle\langle1_B|)\\ &+|1_A\rangle\langle1_A| Tr(|1_B\rangle\langle1_B|) \\ &=\frac{1}{2}(|0_{A}\rangle\langle0_{A}|+|1_{A}\rangle\langle1_{A}|) \end{aligned} \tag{16}

Homework IV

exercise 4.1

Q:试得到下述线路的酉矩阵:

A:先看左图,列出真值表:

设该线路的酉矩阵为 U1U_1,可以看出,该线路完成了以下功能:

U1[α1α2α1β2β1α2β1β2]=12[α1(α2+β2)α1(α2β2)β1(α2+β2)β1(α2β2)](17)U_1\begin{bmatrix} \alpha_1\alpha_2\\ \alpha_1\beta_2\\ \beta_1\alpha_2\\ \beta_1\beta_2 \end{bmatrix}=\frac1{\sqrt2}\begin{bmatrix} \alpha_1(\alpha_2+\beta_2)\\ \alpha_1(\alpha_2-\beta_2)\\ \beta_1(\alpha_2+\beta_2)\\ \beta_1(\alpha_2-\beta_2) \end{bmatrix} \tag{17}

由上式可以反推出 U1U_1 的具体数值:

U1=12[1100110000110011]=IH(18)U_1=\frac1{\sqrt2}\begin{bmatrix} 1 & 1 & 0& 0\\ 1 & -1 & 0& 0\\ 0& 0 & 1 & 1\\ 0& 0 & 1 &-1 \end{bmatrix}=\mathbb{I}\otimes H \tag{18}

同理,我们也可以得到右图的酉矩阵 U2U_2

U2=12[1010010110100101]=HI(19)U_2=\frac1{\sqrt2}\begin{bmatrix} 1 & 0 & 1 & 0\\ 0 & 1 & 0 & 1\\ 1 & 0 & -1 & 0\\ 0 & 1 & 0 & -1 \end{bmatrix}=H\otimes\mathbb{I} \tag{19}

此题看似简单,实则是在向我们介绍量子门的工作原理。本题中出现的仅为两个量子比特的门,如果是有 nn 个量子比特,那么我们要面临的矩阵将是 2n2^n 维的,要想得到这样一个庞大的矩阵仅靠通过真值表反推是极为困难的,甚至只是列出真值表就会有非常可观的任务量。

那我们要如何处理这类问题呢?答案是找规律!仔细观察 U1U2U_1U_2 的表达式,你会发现像两个比特的量子态 AB=AB\ket{AB}=\ket{A}\otimes\ket{B} 一样,两个比特的量子门的表达式也是通过张量积的形式将两个矩阵联系起来组成的。而且,在这个张量积中,矩阵的选择和顺序也是有规律的,比如:在 U1U_1 对应的线路中,第一个比特没有操作而第二个比特加了一个 Hadamard gate,因此张量积的左边就是单位矩阵 I\mathbb{I} 而右边则是Hadamard gate H=12[1111]H=\frac1{\sqrt2}\begin{bmatrix}1 & 1\\1 & -1\end{bmatrix}。在 U2U_2 的线路中, Hadamard gate 出现在第一个比特上,那就将 IH\mathbb{I}\otimes H 中的矩阵顺序对调为 HIH\otimes\mathbb{I} 即可。

exercise 4.2

Q:从交换门的定义由来得到其矩阵表达式:

A:已知两种 C-NOT 门的矩阵:

写成解析式形式为:U1=00I+11XU_1=\ket{0}\bra{0}\otimes\mathbb{I}+\ket{1}\bra{1}\otimes XU2=I00+X11U_2=\mathbb{I}\otimes\ket{0}\bra{0}+X\otimes\ket{1}\bra{1},按照矩阵相乘的法则从右至左依次相乘得:

UCNOT=U1U2U1=[1000001001000001](20)U_{CNOT}=U_1U_2U_1= \begin{bmatrix} 1 & 0 & 0 & 0\\ 0 & 0 & 1 & 0\\ 0 & 1 & 0 & 0\\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{bmatrix} \tag{20}

相比于上一题,本题提供的信息更多了,首先是多个门连续作用后表达式的计算顺序。在矩阵乘法的规则中,没多进行一次映射,就要将映射的矩阵乘到原矩阵的左边去,因此(20)的具体顺序为:UCNOT=U13U22U11U_{CNOT}=U_1^3U_2^2U_1^1(上标)。

接着我们就要来找规律了,由于 C-NOT 门要考虑到一个比特对另一个比特的影响,所以它的表达式 U1=00I+11XU_1=\ket{0}\bra{0}\otimes\mathbb{I}+\ket{1}\bra{1}\otimes X 可以以此分为两个部分,加号左边是控制部分(就是C,control),右边是操作部分(非门 NOT)。控制侧的性质是:输入为 1\ket{1} 则操作部分生效,而控制部分输出比特不变,因此操作部分为 00\ket{0}\bra{0} 和单位矩阵的张量积。操作侧的性质是:一旦生效,就把当前输入的比特进行反转(1\ket{1} 变成 0\ket{0}0\ket{0} 变成 1\ket{1}),而且因为只有另一个比特输入为 1\ket{1} 时生效,因此张量积左侧选择 11\ket{1}\bra{1},右侧使用 σx\sigma_x 对应的门,负责反转。

结合上面的结论再对比 U1U2U_1U_2 的区别,我们也可以验证在 exercise 4.1 中得到的结论:张量积左侧和第一个比特作用,右侧和第二个比特作用。

延申一点,刚刚我们讨论了 U1=00I+11XU_1=\ket{0}\bra{0}\otimes\mathbb{I}+\ket{1}\bra{1}\otimes XU2=I00+X11U_2=\mathbb{I}\otimes\ket{0}\bra{0}+X\otimes\ket{1}\bra{1} 的意义,那么如果我们把 00\ket{0}\bra{0}11\ket{1}\bra{1} 的位置互换一下,即 U3=11I+00XU_3=\ket{1}\bra{1}\otimes\mathbb{I}+\ket{0}\bra{0}\otimes X,那么将会出现什么样的门呢?

结果在这里!

如图,这就是 U3=11I+00XU_3=\ket{1}\bra{1}\otimes\mathbb{I}+\ket{0}\bra{0}\otimes X 对应的门电路以及其矩阵,这种门叫 controled[0]-NOT,或者 XNOR,特性是 A 比特是 0\ket{0} 时 B 比特反转(可以看到那个实心点变成空心的了),A 为 1\ket{1} 时 B 比特不变,A比特一直不变。

exercise 4.3

Q:试说明下述量子线路的等价性:

A:先求下面这个门的矩阵

按照我们发现的规律,易得表达式:

UH=HH=12[1111111111111111](21)U_H=H\otimes H=\frac12 \begin{bmatrix} 1 & 1 & 1 & 1\\ 1 & -1 & 1 & -1\\ 1 & 1 & -1 & -1\\ 1 & -1 & -1 & 1 \end{bmatrix} \tag{21}

已知:

则:

U=UHUCNOTUH=14[1111111111111111][1000010000010010][1111111111111111]=[1000000100100100](22)\begin{align} U&=U_HU_{CNOT}U_H=\frac14 \begin{bmatrix} 1 & 1 & 1 & 1\\ 1 & -1 & 1 & -1\\ 1 & 1 & -1 & -1\\ 1 & -1 & -1 & 1 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 1 & 0 & 0 & 0\\ 0 & 1 & 0 & 0\\ 0 & 0 & 0 & 1\\ 0 & 0 & 1 & 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 1 & 1 & 1 & 1\\ 1 & -1 & 1 & -1\\ 1 & 1 & -1 & -1\\ 1 & -1 & -1 & 1 \end{bmatrix}\\ &=\begin{bmatrix} 1 & 0 & 0 & 0\\ 0 & 0 & 0 & 1\\ 0 & 0 & 1 & 0\\ 0 & 1 & 0 & 0 \end{bmatrix} \end{align} \tag{22}

得证。

只要搞明白了前两题,这题就没啥技术含量了,可能就是想让你惊讶一下这个等价吧。

exercise 4.4

Q:试得到下述量子线路的输出量子态:

A:设 T=exp(iπσy4)=cosπ4Iisinπ4σyT=\exp(\frac{i\pi\sigma_y}{4})=\cos\frac\pi4\mathbb{I}-i\sin\frac\pi4\sigma_y,该量子线路酉矩阵为 UU

U=UCNOT(TI)=[cosπ40sinπ400cosπ40sinπ40sinπ40cosπ4sinπ40cosπ40](23)\begin{align} U&=U_{CNOT}(T\otimes\mathbb{I})\\ &=\begin{bmatrix} \cos\frac\pi4 & 0 & -\sin\frac\pi4 & 0\\ 0 & \cos\frac\pi4 & 0 & -\sin\frac\pi4\\ 0 & \sin\frac\pi4 & 0 & \cos\frac\pi4\\ \sin\frac\pi4 & 0 & \cos\frac\pi4 & 0 \end{bmatrix} \end{align} \tag{23}

由于输入为 00\ket{00},得到输出结果:

U00=U[1000]=[cosπ400sinπ4](24)U\ket{00}=U\begin{bmatrix} 1\\ 0\\ 0\\ 0 \end{bmatrix} =\begin{bmatrix} \cos\frac\pi4\\ 0\\ 0\\ \sin\frac\pi4 \end{bmatrix} \tag{24}

这道题结合了 exercise 2.5 的带矩阵的欧拉公式,但是只要算出 T=exp(iπσy4)=cosπ4Iisinπ4σyT=\exp(\frac{i\pi\sigma_y}{4})=\cos\frac\pi4\mathbb{I}-i\sin\frac\pi4\sigma_y ,剩下的计算过程和 4.3 差不多。

exercise 4.5

Q:试得到下述线路的输出量子态,并说明此量子线路的设计目的:

A:对这种题,直接列出真值表:

000000010011100101110110(25)\begin{align} \ket{000} & \rightarrow & \ket{000}\\ \ket{010} & \rightarrow & \ket{011}\\ \ket{100} & \rightarrow & \ket{101}\\ \ket{110} & \rightarrow & \ket{110} \end{align} \tag{25}

从真值表的结果来看,该量子线路可以用来判断 x,yx,y 的输入是否相同,如果相同则第三个比特输出 0\ket{0} ,反之则输出 1\ket{1}