Bir kuantum geçidinin dönüşümünden sonra her bir durumun olasılıkları nasıl değişir?


15

Kuantum kapıları, kubitlere (durumlara) uygulanan dönüşümleri temsil eden matrislerle temsil edilir.

2 kubit üzerinde çalışan kuantum geçidimiz olduğunu varsayalım .

Kuantum geçidi kubitlerin durumunu ölçmenin sonucunu nasıl etkiler (mutlaka değiştirmez) (ölçüm sonucu olası her durumun olasılıklarından büyük ölçüde etkilendiğinden)? Daha spesifik olarak, kuantum geçidinden dolayı her bir durumun olasılıklarının nasıl değiştiğini önceden bilmek mümkün müdür?

Yanıtlar:


7

Durum I: 2 kubbe birbirine dolanmış değil.

İki kubitin ( ve B diyelim ) durumlarını | ψ A= a | 0 + b | 1 ve | ψ B= C | 0 + d | 1 burada bir , b , c , d .AB|ψA=a|0+b|1|ψB=c|0+d|1a,b,c,dC

Bireysel qubits iki boyutlu bir kompleks vektör mekanlarda bulunan (boyunca Cı- alanı). Ancak sistemin durumu a, vektör (veya nokta bir dört-boyutlu kompleks vektör uzayı içinde bulunur) C 4 (a fazla Cı- alanı).C2CC4C

Sistemin durumu bir tensör ürünü olarak yazılabilir yani bir c | 00 + bir d | 01 + b c | 10 + b d | 11 .|ψA|ψBac|00+ad|01+bc|10+bd|11

Doğal olarak, çünkü durum vektörü normalleştirilmelidir. Bir temel durumun genliğinin karesinin, karşılık gelen temelde ölçüldüğünde meydana gelen bu temel durumun olasılığını neden vermesinin nedeni, Born'un kuantum mekaniği kuralında yatmaktadır (bazı fizikçiler, bunun kuantum mekaniğinin temel postülası olduğunu düşünmektedir) . Şimdi, olasılığı | İlk kubit ölçüldüğünde ortaya çıkan 0 is|ac|2+|ad|2+|bc|2+|bd|2=1|0 . Benzer şekilde, olasılığı | 1 , ilk kubit ölçüldüğünde ortaya çıkan | b c | 2 + | b d | 2 .|ac|2+|ad|2|1|bc|2+|bd|2

Şimdi, sistemin önceki durumu üzerinde herhangi bir ölçüm yapmadan bir kuantum geçidi uygularsak ne olur? Kuantum kapıları üniter kapılardır. Eylemleri, üniter bir operatörün ( sistemin başlangıç ​​durumu üzerindeki eylemi olarak yazılabilir, yani bir c | 00 + bir d | 01 + b c | 10 + b d | 11 yeni bir devlet üretmek için A | 00 + B | 01 + C | 10 Uac|00+ad|01+bc|10+bd|11 (ki burada A , B , C , D ). Bu yeni durum vektörünün büyüklüğü: | A | 2 + | B | 2 + | C | 2 + | D | 2 tekrar eşittir 1 , uygulanan kapısı için,tek parça. İlk kubit ölçüldüğünde, | 0 urr olan | A | 2 +A|00+B|01+C|10+D|11A,B,C,DC|A|2+|B|2+|C|2+|D|21|0 ve benzer şekilde bunu | 1 .|A|2+|B|2|1

Ancak, bir ölçüm yaparsak, üniter kapının hareketinden önce sonuç farklı olurdu. Örneğin ilk kübiti ölçtünüz ve onun durum sistemin ara durum olurdu çökmüş için bir c | 00 + bir d | 01 |0ac|00+ad|01(ac)2+(ad)2 (according to the Copenhagen interpretation). So you can understand that applying the same quantum gate on this state would have given a different final result.

Case II: The 2 qubits are entangled.

In case the state of the system is something like 12|00+12|11 , you cannot represent it as a tensor product of states of two individual qubits (try!). There are plenty more such examples. The qubits are said to entangled in such a case.

Anyway, the basic logic still remains same. The probability of |0 occuring when the first qubit is measured is |1/2|2=12 and |1 occuring is 12 too. Similarly you can find out the probabilities for measurement of the second qubit.

A|00+B|01+C|10+D|11


|00,|01,|10,|11 are considered as the four 4×1 column vectors like [1000], [0100], etc. by mapping the four basis vectors to the standard basis of R4. And, the unitary transformations U can be written as 4×4 matrices which satisfy the property UU=UU=I.


4

Yes, it is possible. The quantum gates are designed such that given input states are transformed to well defined output states with computable probabilities. The transformation does not constitute a measurement in the sense of quantum mechanics, this means that we can have entangled states in the output of a quantum gate and use these states for further computation.

Note also that the input states are no longer accessible after being transformed by a quantum gate. If you want to get them back, you have to apply an inverse gate.


2
I think this answer would be better with some basic mathematics, but that's difficult without mathjax enabled.
DanielSank

@DanielSank it is now enabled
Gabriel Romon

What do you exactly mean by "in the sense of quantum mechanics"?
nbro

4

How does the quantum gate affect (not necessarily change it) the result of measuring the state of the qubits (as the measurement result is affected greatly by the probabilities of each possible state)? More specifically, is it possible to know, in advance, how the probabilities of each state change due to the quantum gate?

Let's try to approach this with an example and some geometry. Consider a single qubit, whose Hilbert space is C2, i.e., the two-dimensional complex Hilbert space over C (for the more technical people, the Hilbert space is actually CP1). It turns out that CP1S2, the unit sphere, also known as the Bloch sphere. This translates into the fact that all states of a qubit can be represented (uniquely) on the Bloch sphere.

Quantum states on the Bloch sphere Source: Wikipedia

The state of a qubit can be represented on the Bloch sphere as |ψ=cos(θ2)|0+eiϕsin(θ2)|1, where 0θπ and 0ϕ<2π. Here, |0=[10] and |1=[01] are the two basis states (represented in the figure at the north and south pole respectively). So the states of the qubit are nothing but column vectors, which are identified with (unique) points on the sphere.

What are quantum gates? These are unitary operators, U s.t., UU=UU=I. Gates on a single qubit are elements of SU(2). Consider a simple gate like Y (which stands for the Pauli matrix σy:=Y=[0ii0]).

How does this gate act on a qubit and affect the measurement outcomes?

Say you begin with a qubit in the state |0, i.e., at the north pole on the Bloch sphere. You apply a unitary of the form U=eiγY where γR. Using properties of the Pauli matrix, we get U=eiγY=cos(γ)Iisin(γ)Y. The action of this operator is to rotate the state by an angle 2γ along the y-axis and therefore if we choose γ=π/2, the qubit |0U|0=|1. That is to say, given we know what unitary we are applying to our state, we completely know the way in which our initial state will transform and hence we know how the measurement probabilities would change.

For example, if we were to make a measurement in the {|0,|1} basis, initially, one would get the state |0 with probability 1; after applying the unitary, one would get the state |1 with probability 1.


3

As you said, the probabilities of measurements are obtained from the state. And the gates operate unitarily on the states. Consider the POVM element Π, a state ρ and a gate U. Then the probability for the outcome associated with Π is p=tr(Πρ), and the probability after the gate is p=tr(ΠUρU).

I just want to stress that it is impossible to know the probability of the outcome after the gate only from the probability of it before the gate. You need to consider the probability amplitudes (the quantum states)!

Let me make another remark: You are talking about two qubits, so the state after the gate might be entangled. In this case it will not be possible to have "individual" probability distributions for each qubit for all measurements in the sense that the joint probability distribution will not factor into the two marginal distributions.

Sitemizi kullandığınızda şunları okuyup anladığınızı kabul etmiş olursunuz: Çerez Politikası ve Gizlilik Politikası.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.