Перше зауваження
Це ж явище "управління" кубітує зміни станів в деяких обставинах і відбувається з контрольованими НЕ воротами; насправді це вся основа власного значення. Тож не тільки це можливо, важливий факт щодо квантових обчислень є можливим. Він навіть має назву: "фазовий удар", в якому керує кубітом (або, загалом, регістром управління), виникають відносні фази в результаті дії через деяку операцію на деякому цільовому регістрі.
Причина, чому це відбувається
Чому так має бути? В основному це зводиться до того, що стандартна основа насправді не така важлива, як ми іноді описуємо її як буття.
Коротка версія. Тільки стандартні базові стани на контрольні кубіти не впливають. Якщо контрольний кубіт знаходиться в стані, який не є стандартним базовим станом, він в принципі може бути змінений.
Більш дрібна версія -
Розглянемо сферу Блоха. Зрештою, це сфера - ідеально симетрична, при цьому жодна точка не буде більш спеціальною, ніж будь-яка інша, і жодна вісь не є більш спеціальною, ніж будь-яка інша. Зокрема, стандартна основа не особливо особлива.
Операція CNOT - це, в принципі, фізична операція. Щоб описати це, ми часто висловлюємо його через те, як він впливає на стандартну основу , використовуючи векторні уявлення
- але це лише представлення. Це призводить до конкретного зображення перетворення CNOT:
| 00 ⟩ → ⎡⎣⎢⎢⎢⎢1000⎤⎦⎥⎥⎥⎥,| 01 ⟩ → ⎡⎣⎢⎢⎢⎢0100⎤⎦⎥⎥⎥⎥,| 10 ⟩ → ⎡⎣⎢⎢⎢⎢0010⎤⎦⎥⎥⎥⎥,| 11 ⟩ → ⎡⎣⎢⎢⎢⎢0001⎤⎦⎥⎥⎥⎥
C N O T → ⎡⎣⎢⎢⎢⎢1000010000010010⎤⎦⎥⎥⎥⎥.
і для стислості ми говоримо, що ці вектори стовпців
є стандартними базовими станами на двох кубітах, і що ця матриця
є матрицею CNOT.
Ви коли-небудь робили ранній університетський клас математики чи читали підручник, де почали підкреслювати різницю між лінійним перетворенням і матрицями - де говорилося, наприклад, що матриця може представляти лінійну трансформацію, але не була те саме, що лінійне перетворення? Ситуація з CNOT у квантових обчисленнях є одним із прикладів того, наскільки це розрізнення має значення. CNOT - це перетворення фізичної системи , а не стовпчикових векторів; стандартні базисні стану лише одна основи фізичної системи, яку ми зазвичай уявляємо з допомогою векторів стовпців.{ 0 , 1 }
Що робити, якщо ми вирішили представити іншу основу - скажімо, X власне базу - натомість векторів стовпців? Припустимо, ми хочемо представити{ 0 , 1 }
| + + ⟩ →| + - ⟩ →| - + ⟩ →| - - ⟩ →[1000]†,[0100]†,[0010]†,[0001]†.
Це абсолютно законний вибір математично, і оскільки це лише нотаційний вибір, він не впливає на фізику - він впливає лише на те, як ми писали би фізику. В літературі не рідкість робити аналіз аналогічно цьому (хоча рідко явно написати іншу конвенцію для векторів стовпців, як я це робив тут). Ми повинні представити стандартні базові вектори через:
| 00 ⟩ → 12⎡⎣⎢⎢⎢⎢1111⎤⎦⎥⎥⎥⎥,| 01 ⟩ → 12⎡⎣⎢⎢⎢⎢1- 11- 1⎤⎦⎥⎥⎥⎥,| 10 ⟩ → 12⎡⎣⎢⎢⎢⎢11- 1- 1⎤⎦⎥⎥⎥⎥,| 11 ⟩ → 12⎡⎣⎢⎢⎢⎢1- 1- 11⎤⎦⎥⎥⎥⎥.
Знову ми використовуємо вектори стовпців праворуч
лише для представлення станів зліва. Але ця зміна представництва вплине на те, як ми хочемо представити ворота CNOT.
Гострі очі читач може зауважити , що вектори , які я написав на правій трохи вище , являють собою стовпчики звичайного матричного уявлення . Для цього є вагома причина: те, що означає ця зміна представлення, - це зміна системи відліку, в якій можна описати стани двох кубітів. Для того, щоб описати , тощо, ми змінили систему відліку для кожного кубіта шляхом обертання, яке є таким же, як і звичайне матричне подання оператора Адамара - тому що той самий оператор міняє місцями і спостерігаються, шляхом кон'югації.Н⊗ Н| + + ⟩ = [1000]†| + - ⟩ = [0100]†ХZ
Ця ж система відліку застосовуватиметься до того, як ми представляємо операцію CNOT, тож у цьому зміщеному поданні ми мали б
0 \ end {bmatrix}} \ end {align},
що - пам'ятаючи, що стовпці тепер представляють власнестати - означає, що CNOT здійснює перетворення
C N O T → 14⎡⎣⎢⎢⎢⎢11111- 11- 111- 1- 11- 1- 11⎤⎦⎥⎥⎥⎥⎡⎣⎢⎢⎢⎢1000010000010010⎤⎦⎥⎥⎥⎥⎡⎣⎢⎢⎢⎢11111- 11- 111- 1- 11- 1- 11⎤⎦⎥⎥⎥⎥=⎡⎣⎢⎢⎢⎢1000000100100100⎤⎦⎥⎥⎥⎥
ХC N O T| + + ⟩C N O T| + - ⟩C N O T| - + ⟩C N O T| - - ⟩= | + + ⟩ ,= | - - ⟩ ,= | - + ⟩ ,= | + - ⟩ .
Зауважте тут, що це
лише перший, контрольний кубіт, стан якого змінюється; ціль залишається незмінною.
Тепер я міг би показати цей самий факт набагато швидше без усієї цієї розмови про зміни в системі відліку. У вступних курсах з квантових обчислень з інформатики подібне явище можна описати, не згадуючи жодного разу слова "контрольна рамка". Але я хотів дати вам більше, ніж простий розрахунок. Я хотів звернути увагу на той факт, що CNOT - це в принципі не просто матриця; що стандартна основа не є спеціальною основою; і що коли ви знімаєте ці речі, стає зрозуміло, що операція, реалізована CNOT, очевидно, може вплинути на стан кебіту керування, навіть якщо CNOT - це єдине, що ви робите своїм кубітам.
Сама ідея, що існує кубіт «керування», орієнтована на стандартну основу і вкладає упередження щодо станів кубітів, що закликає нас думати про операцію як про однобічну. Але як фізику вам слід глибоко підозріло ставитись до однобічних операцій. На кожну дію існує рівноправна і протилежна реакція ; і тут очевидна однобічність CNOT у стандартних базових станах обґрунтовується тим фактом, що для X власнихбазисних станів саме «ціль» в односторонньому порядку визначає можливу зміну стану «керування».
Вам було цікаво, чи є щось у грі, що є лише математичною зручністю, що передбачає вибір позначень. Насправді, існує такий спосіб, як ми пишемо наші держави з акцентом на стандартній основі, що може привести вас до розвитку нематематичної інтуїції операції лише з точки зору стандартної основи. Але змінити уявлення, і ця нематематична інтуїція проходить.
Те саме, що я накреслив для впливу CNOT на стани X-eigenbasis, також відбувається у фазній оцінці, лише з іншою трансформацією, ніж CNOT. "Фаза", що зберігається в кубі "цілі", підводиться до кубіта "керування", оскільки ціль знаходиться у власному стані операції, яка когерентно контролюється першим кубітом. Що стосується інформатики квантових обчислень, це одне з найвідоміших явищ у цій галузі. Це змушує нас протистояти тому, що стандартна основа є особливою лише тим, що саме ми вважаємо за краще описувати наші дані - але не тим, як поводиться сама фізика.