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量子比特基础分析综述
经典信息中最基本的信息单位是比特(bit),对应到以量子力学为基础的量
子信息中,量子比特(qubit)就成为了最基本的信息单位。
1单量子比特
在经典信息中,比特的状态总是要在两个状态中进行选择,不是处于“1〃
态,就是处于“0〃态。这也是经典计算机普遍使用二进制的主要原因,在实际
操作中仅通过电平的高低就将这两个不同的状态区分开来。与之类似的,量子计
算和量子通信的理论体系中也利用了比特这一概念用来描述信息量的大小,成为
量子比特(qubit)。量子信息中微观粒子的两种状态通常用“|0〉〃和“⑴〃进行
表示,这两个基本状态的线性组合可以表示单量子比特系统中的全部状态。其中,
量子态不仅可以是完全的状态I。〉和状态|1〉,还可以是他们的结合:|(p〉=a|0〉+叩〉。
量子态的概率幅a和占是一组满足条件la/+\/3\2=1的复数。状态|0〉和|1〉是一组正
交向量基,故而可以将任意一个量子比特看作是二维空间中对应的一个单位向量。
如果想要确定a和8的具体数值大刀\,不能通过对一个量子比特进行测量得到这
—数据。在量子力学中,如果使用标)隹正交测量基I。〉和⑴测量叠加态,测量的
这个操作就会对量子系统产生不可恢复的影响。有1必的概率测量得到的测量结
果是I。〉,有同之的概率得到的测量结果为⑴,并且一旦进行测量操作之后就无法
再恢复到量子比特测量之前的叠加态上了。量子比特还可以表示成
I(P〉=COS勺0〉+e^sin||l),其中实数口与□可以连续变化,这个球面就是Bloch球。
经典信息中,比特可以通过高低电平为载体实现编码、传输和解码等实际操作。
同样地,有多种载体都可以表示量子比特,例如光子的偏振、电子的自旋、原子
的二能级等;还可以使用光子的角动量、多能级原子等多状态量子比特进行信息
编码。
2多量子比特
对于由两个经典比特所构成的信息序列而言,总共有四种可能出现的状态,
分别为:00、01、10和11。同样的,由两个量子比特所构成的量子系统也包含
了四种基本状态,分别为:|00〉、|01〉、|10〉和|11〉。双量子比特不仅可以处于这
四种状态中的一种,还可以处于他们的叠加态上,被写作:
|p)=a0o|00)+aoi|01)+a1o|10)+a11|ll)0与单量子比特的测量情况类似,对双量子
比特系统进行测量,测量结果为|00〉、|01〉、|10〉和|11〉的概率是1。0。|2,|。01|2,如o|2
和如且满足归一化要求(|a00l2+l^oil2+l^iol2+l^iil2=l)o
在双量子比特系统中,如果只对第1个量子比特进行测量,得到测量结果是
|0〉的概率为Mo|2+|a01|2,测量后的状态变为:
\(p)=«001。。〉+以011。1〉式(2-11)
JI做)|2+扇1|2-
同样的,只对第1个量子比特进行测量后得到结果是|1〉的概率为如。卜+如的
测量后的状态变为:
〉=式(2-12)
J|Q10|2+g|2
单独测量第2个量子比特时,得到|0〉的该概率为|a00|2+|a10|2,测量后状态
为:
〉=以oo|00〉+aio|l。〉式(2-13)
很做)|2+如。禅
而得到|1〉的概率为1电2+如1|2,测量后的状态为:
〉=q01|01)+a11|ll)式
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