QuantumAlgebra

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Some Unitary. Quantum gates 的 matrix presentation 方式是配合傳統的量子力學符號 0⟩{0}\rangle 和 1⟩{1}\rangle 分別代表狀態一個 qbit 的 0 和 1,像是個行向量。以 Ry gate 為例,定義是:

Ry(0⟩) =cos(θ2)0⟩+sin(θ2)1⟩ Ry(1⟩) =−sin(θ2)0⟩+cos(θ2)1⟩\begin{aligned}Ry({0}\rangle) &= \cos\left(\frac{\theta}{2}\right) {0}\rangle + \sin\left(\frac{\theta}{2}\right) {1}\rangle\\Ry({1}\rangle) &= - \sin\left(\frac{\theta}{2}\right){0}\rangle + \cos\left(\frac{\theta}{2}\right) {1}\rangle\end{aligned}

所以配合矩陣 block 乘法的規則,不遷就 cos(θ2)0⟩\cos\left(\frac{\theta}{2}\right) {0}\rangle 是個 scalar product 到一個行向量,寫成矩陣是:

[Ry(0⟩) Ry(1⟩)]=[0⟩ 1⟩][cos(θ2) −sin(θ2) sin(θ2) cos(θ2)]\begin{bmatrix}Ry({0}\rangle)&Ry({1}\rangle)\end{bmatrix} = \begin{bmatrix}{0}\rangle&{1}\rangle\end{bmatrix} \begin{bmatrix}\cos\left(\frac{\theta}{2}\right)&-\sin\left(\frac{\theta}{2}\right)\\\sin\left(\frac{\theta}{2}\right)&\cos\left(\frac{\theta}{2}\right)\end{bmatrix}

一個變換 AA 不會混淆的時候也用 AA 表示變換的矩陣,和 "A(v)A(v) 代表的意義是變換 AA 作用在 vv 的結果" 略有不同。所以 [cos(θ2) −sin(θ2) sin(θ2) cos(θ2)]\begin{bmatrix}\cos\left(\frac{\theta}{2}\right)&-\sin\left(\frac{\theta}{2}\right)\\\sin\left(\frac{\theta}{2}\right)&\cos\left(\frac{\theta}{2}\right)\end{bmatrix} 就是 Ry 矩陣。

Ry(α0⟩+β1⟩) =Ry(0⟩)α+Ry(1⟩)β=[Ry(0⟩) Ry(1⟩)][α β] =[0⟩ 1⟩][cos(θ2) −sin(θ2) sin(θ2) cos(θ2)][α β]\begin{aligned}Ry(\alpha {0}\rangle + \beta {1}\rangle) &= Ry({0}\rangle)\alpha + Ry({1}\rangle)\beta = \begin{bmatrix}Ry({0}\rangle)&Ry({1}\rangle)\end{bmatrix} \begin{bmatrix}\alpha\\\beta\end{bmatrix}\\&= \begin{bmatrix}{0}\rangle&{1}\rangle\end{bmatrix} \begin{bmatrix}\cos\left(\frac{\theta}{2}\right)&-\sin\left(\frac{\theta}{2}\right)\\\sin\left(\frac{\theta}{2}\right)&\cos\left(\frac{\theta}{2}\right)\end{bmatrix} \begin{bmatrix}\alpha\\\beta\end{bmatrix}\end{aligned}

也就是 Ry(α0⟩+β1⟩)Ry(\alpha {0}\rangle + \beta {1}\rangle) 的關於 0⟩{0}\rangle 和 1⟩{1}\rangle 的係數可由計算 Ry[α β]Ry \begin{bmatrix}\alpha\\\beta\end{bmatrix} 得到。

一個量子變換 UU,作用到 base b 1⋯b nb_1 \cdots b_n 成為另一組 base c 1⋯c nc_1 \cdots c_n :

c j=U(b j)=∑ iu ijb ic_j = U(b_j) = \sum_i u_{i j} b_i

寫成矩陣:

[U(b 1) ⋯ U(b n)]=[b 1 ⋯ b n][u 11 ⋯ u 1n ⋮ ⋮ u n1 ⋯ u nn]\begin{bmatrix}U(b_1)&\cdots&U(b_n)\end{bmatrix} = \begin{bmatrix}b_1&\cdots&b_n\end{bmatrix} \begin{bmatrix}u_{11}&\cdots&u_{1 n}\\\vdots&&\vdots\\u_{n 1}&\cdots&u_{n n}\end{bmatrix}

所以

b k¯ Tc j=b k¯ T∑ iu ijb i=∑ iu ijb k¯ Tb i=u kj\overline{b_k}^T c_j = \overline{b_k}^T \sum_i u_{i j} b_i = \sum_i u_{i j} \overline{b_k}^T b_i = u_{k j}

bb 是個向量,強調它是個行向量在右邊加一個右括號成為 b⟩{b}\rangle ,定義任意兩個行向量 qq 和 gg,⟨q|g⟩≡q¯ Tg\langle{q}|g\rangle \equiv \overline{q}^T g 。所以 ⟨q\langle{q} 這個刻意加上左括號的定義是 q¯ T\overline{q}^T 。這個 braket 運算關於 gg 是線性,關於 qq 是 conjugate 線性,而且

u kj=⟨b k|c j⟩u_{k j} = \langle b_k | c_j \rangle

一個疊加狀態 ∑ iq ib i\sum_i q_i b_i ,經過量子變換 UU,

U(∑ iq ib i) =∑ iq iU(b i) =[U(b 1) ⋯ U(b n)][q 1 ⋮ q n] =[b 1 ⋯ b n][u 11 ⋯ u 1n ⋮ ⋮ u n1 ⋯ u nn][q 1 ⋮ q n]\begin{aligned}U\left(\sum_i q_i b_i\right) &= \sum_i q_i U(b_i) \\&= \begin{bmatrix}U(b_1)&\cdots&U(b_n)\end{bmatrix} \begin{bmatrix}q_1\\ \vdots \\q_n\end{bmatrix} \\&= \begin{bmatrix}b_1& \cdots &b_n\end{bmatrix} \begin{bmatrix}u_{11}& \cdots &u_{1 n}\\ \vdots && \vdots \\u_{n 1}& \cdots &u_{n n}\end{bmatrix} \begin{bmatrix}q_1 \\ \vdots \\q_n\end{bmatrix}\end{aligned}

這個疊加狀態的係數,也就是在各 base 狀態的量子複數機率可由計算 [u 11 ⋯ u 1n ⋮ ⋮ u n1 ⋯ u nn][q 1 ⋮ q n]\begin{bmatrix}u_{11}& \cdots &u_{1 n}\\ \vdots && \vdots \\u_{n 1}& \cdots &u_{n n}\end{bmatrix} \begin{bmatrix}q_1 \\ \vdots \\q_n\end{bmatrix} 來求得。小屁孩的雙狹縫實驗各問題裡面的 aa 就是這裡的 [q 1 ⋯ q n]\begin{bmatrix}q_1& \cdots &q_n\end{bmatrix} ,裡面的 xx 就是這裡的 U TU^T 。braket運算就是在 base 狀態的投影。

兩個狀態 qq 和 gg 垂直的意思是,其中一個如果發生另一個就不會發生 。由此定義所以 base 裡面提到的狀態是兩兩互相垂直。測量某個狀態在某個 base 是否可能發生就是把這個狀態對應的 conjugate transpose 去乘上各個 base 的狀態,也就是 braket 運算 ⟨q|b i⟩\langle q | b_i \rangle 。確定的狀態 base 滿好理解, 0⟩{0}\rangle 代表確定在台中, 1⟩{1}\rangle 代表確定在台北,但是 base 的狀態也沒規定一定要是確定的狀態,例如,這個 base 的兩個狀態 120⟩+121⟩\frac{1}{\sqrt{2}} {0}\rangle + \frac{1}{\sqrt{2}} {1}\rangle 和 120⟩−121⟩\frac{1}{\sqrt{2}} {0}\rangle - \frac{1}{\sqrt{2}} {1}\rangle ,沒有對應的日常口語,可以說成第一個狀態是 "我 suspect 他在台中,我也 suspect 他在台北",第二個狀態是 "我 suspect 他在台中,我也 doubt 他在台北"。

複數機率矩陣表示和 tensor algebra 的關係

狀態在矩陣表達方式是一個行向量 bb,它也對應到一個任意向量 vv 到純量 scalar 的線性函數 b⟩{b}\rangle 。如果 vector 以一個行向量表示,則這個函數是 f(v)=b¯ Tvf(v) = \overline{b}^T v 。

有兩個複數機率系統,每個系統都只有兩個狀態,都經歷變換, x ijx_{i j} 和 y ijy_{i j} 是複數機率, a 1a_1 和 a 2a_2 是系統一的 base 狀態, b 1b_1 和 b 2b_2 是系統二的 base 狀態。

系統一:

A(a 1)=x 11a 1+x 21a 2 A(a 2)=x 12a 1+x 22a 2\begin{aligned}A(a_1) = x_{11} a_1 + x_{21} a_2\\ A(a_2) = x_{12} a_1 + x_{22} a_2\end{aligned}

系統二:

B(b 1)=y 11b 1+y 21b 2 B(b 2)=y 12b 1+y 22b 2\begin{aligned}B(b_1) = y_{11} b_1 + y_{21} b_2\\B(b_2) = y_{12} b_1 + y_{22} b_2\end{aligned}

例一

寫成矩陣

[A(a 1) A(a 2)]=[a 1 a 2][x 11 x 12 x 21 x 22]=[a 1 a 2]A [B(b 1) B(b 2)]=[b 1 b 2][y 11 y 12 y 21 y 22]=[b 1 b 2]B\begin{aligned}\begin{bmatrix}A(a_1)&A(a_2)\end{bmatrix} = \begin{bmatrix}a_1&a_2\end{bmatrix} \begin{bmatrix}x_{11}& x_{12}\\x_{21}&x_{22}\end{bmatrix} = \begin{bmatrix}a_1&a_2\end{bmatrix} A\\\begin{bmatrix}B(b_1)&B(b_2)\end{bmatrix} = \begin{bmatrix}b_1&b_2\end{bmatrix} \begin{bmatrix}y_{11}&y_{12}\\y_{21}&y_{22}\end{bmatrix} = \begin{bmatrix}b_1&b_2\end{bmatrix} B\end{aligned}

例二

為了知道狀態 A(a 1)A(a_1) 在狀態 a 2a_2 的複數機率要計算 ⟨a 2|A(a 1)⟩=a 2¯ T(x 11a 1+x 21a 2)=x 11⋅0+x 21⋅1=x 21⋅A(a 1)\langle a_2 | A(a_1) \rangle = \overline{a_2}^T(x_{11} a_1 + x_{21} a_2) = x_{11} \cdot 0 + x_{21} \cdot 1 = x_{21} \cdot A(a_1) 這個疊加狀態有 x 21x_ {21} 的複數機率出現在狀態 a 2a_2

一個疊加態 v=q 1a 1+q 2a 2v = q_1 a_1 + q_2 a_2 ,經過系統一的變換之後的狀態,在狀態 a 2a_2 的複數機率是

⟨a 2|A(v)⟩=⟨a 2|q 1A(a 1)+q 2A(a 2)⟩=q 1⟨a 2|x 11a 1+x 21a 2⟩+q 2⟨a 2|x 12a 1+x 22a 2⟩=q 1x 21+q 2x 22\langle a_2 | A(v) \rangle = \langle a_2 | q_1 A(a_1) + q_2 A(a_2) \rangle = q_1 \langle a_2 | x_{11} a_1 + x_{21} a_2 \rangle + q_2 \langle a_2 | x_{12} a_1 + x_{22} a_2 \rangle = q_1 x_{21} + q_2 x_{22}

例三

用矩陣語言來說,

A(v)=A(q 1a 1+q 2a 2)=A([a 1 a 2][q 1 q 2])=[A(a 1) A(a 2)][q 1 q 2]=[a 1 a 2][x 11 x 12 x 21 x 22][q 1 q 2]A(v) = A(q_1 a_1 + q_2 a_2) = A\left( \begin{bmatrix}a_1& a_2\end{bmatrix} \begin{bmatrix}q_1\\ q_2\end{bmatrix} \right)= \begin{bmatrix}A(a_1)& A(a_2)\end{bmatrix} \begin{bmatrix}q_1\\ q_2\end{bmatrix} = \begin{bmatrix}a_1& a_2\end{bmatrix} \begin{bmatrix}x_{11}& x_{12}\\ x_{21}& x_{22}\end{bmatrix} \begin{bmatrix}q_1\\ q_2\end{bmatrix}

[q 1 q 2]\begin{bmatrix}q_1\\ q_2\end{bmatrix} 是 vv 這個疊加狀態在這個 base 之下的線性組合係數向量表示。

a 2¯ T[a 1 a 2][x 11 x 12 x 21 x 22][q 1 q 2]=[0 1][x 11 x 12 x 21 x 22][q 1 q 2]=[x 21 x 22][q 1 q 2]=q 1x 21+q 2x 22\overline{a_2}^T \begin{bmatrix}a_1& a_2\end{bmatrix} \begin{bmatrix}x_{11}& x_{12}\\ x_{21}& x_{22}\end{bmatrix} \begin{bmatrix}q_1\\ q_2\end{bmatrix} = \begin{bmatrix}0& 1\end{bmatrix} \begin{bmatrix}x_{11}& x_{12}\\ x_{21}& x_{22}\end{bmatrix} \begin{bmatrix}q_1\\ q_2\end{bmatrix} = \begin{bmatrix}x_{21}& x_{22}\end{bmatrix} \begin{bmatrix}q_1\\ q_2\end{bmatrix} = q_1 x_{21} + q_2 x_{22}

例四

一個疊加狀態 v=q 1a 1+q 2a 2v = q_1 a_1 + q_2 a_2 ,經過系統一的變換之後的狀態,在狀態 u=p 1a 1+p 2a 2u = p_1 a_1 + p_2 a_2 的複數機率是

⟨u|A(v)⟩ =u¯ T[a 1 a 2][x 11 x 12 x 21 x 22][q 1 q 2]=[a 1 a 2][p 1 p 2]¯ T[a 1 a 2][x 11 x 12 x 21 x 22][q 1 q 2] =[p 1¯ p 2¯][a 1¯ T a 2¯ T][a 1 a 2][x 11 x 12 x 21 x 22][q 1 q 2] =[p 1¯ p 2¯][1 0 0 1][x 11 x 12 x 21 x 22][q 1 q 2] =[p 1¯ p 2¯][x 11 x 12 x 21 x 22][q 1 q 2]\begin{aligned}\langle u | A(v) \rangle &= \overline{u}^T \begin{bmatrix}a_1& a_2\end{bmatrix} \begin{bmatrix}x_{11}& x_{12}\\ x_{21}& x_{22}\end{bmatrix} \begin{bmatrix}q_1\\ q_2\end{bmatrix}= \overline{\begin{bmatrix}a_1& a_2\end{bmatrix} \begin{bmatrix}p_1\\ p_2\end{bmatrix}}^T \begin{bmatrix}a_1& a_2\end{bmatrix} \begin{bmatrix}x_{11}& x_{12}\\ x_{21}& x_{22}\end{bmatrix} \begin{bmatrix}q_1\\ q_2\end{bmatrix}\\&= \begin{bmatrix}\overline{p_1}&\overline{p_2}\end{bmatrix} \begin{bmatrix}\overline{a_1}^T\\ \overline{a_2}^T\end{bmatrix} \begin{bmatrix}a_1& a_2\end{bmatrix} \begin{bmatrix}x_{11}& x_{12}\\ x_{21}& x_{22}\end{bmatrix} \begin{bmatrix}q_1\\ q_2\end{bmatrix} \\&= \begin{bmatrix}\overline{p_1}&\overline{p_2}\end{bmatrix} \begin{bmatrix}1& 0\\ 0& 1\end{bmatrix} \begin{bmatrix}x_{11}& x_{12}\\ x_{21}& x_{22}\end{bmatrix} \begin{bmatrix}q_1\\ q_2\end{bmatrix} \\&= \begin{bmatrix}\overline{p_1}&\overline{p_2}\end{bmatrix} \begin{bmatrix}x_{11}& x_{12}\\ x_{21}& x_{22}\end{bmatrix} \begin{bmatrix}q_1\\ q_2\end{bmatrix}\end{aligned}

例五

一個疊加狀態 s 1b 1+s 2b 2s_1 b_1 + s_2 b_2 ,經過系統二的變換之後的狀態,在狀態 r 1b 1+r 2b 2r_1 b_1 + r_2 b_2 的複數機率是

[r 1¯ r 2¯][y 11 y 12 y 21 y 22][s 1 s 2]\begin{bmatrix}\overline{r_1}&\overline{r_2}\end{bmatrix} \begin{bmatrix}y_{11}& y_{12}\\y_{21}& y_{22}\end{bmatrix} \begin{bmatrix}s_1\\ s_2\end{bmatrix}

例六

一個疊加狀態 q 1a 1+q 2a 2q_1 a_1 + q_2 a_2 ,經過系統一的變換之後的狀態,在狀態 p 1a 1+p 2a 2p_1 a_1 + p_2 a_2 ,而且,另一個系統二的一個疊加狀態 s 1b 1+s 2b 2s_1 b_1 + s_2 b_2 ,經過系統二的變換之後的狀態,在狀態 r 1b 1+r 2b 2r_1 b_1 + r_2 b_2 。這樣情況的複數機率。

二者個別複數機率相乘:

[p 1¯ p 2¯][x 11 x 12 x 21 x 22][q 1 q 2]⋅[r 1¯ r 2¯][y 11 y 12 y 21 y 22][s 1 s 2]\begin{bmatrix}\overline{p_1}&\overline{p_2}\end{bmatrix} \begin{bmatrix}x_{11}& x_{12}\\ x_{21}& x_{22}\end{bmatrix} \begin{bmatrix}q_1\\ q_2\end{bmatrix} \cdot \begin{bmatrix}\overline{r_1}&\overline{r_2}\end{bmatrix} \begin{bmatrix}y_{11}& y_{12}\\y_{21}& y_{22}\end{bmatrix} \begin{bmatrix}s_1\\ s_2\end{bmatrix}

Tensor

矩陣的 Tensor product ⊗\otimes 的操作是,例如:

[−1 2]⊗[3 4 5 6 −3 −4]=[−3 −4 −5 −6 3 4 6 8 10 12 −6 −8]\begin{bmatrix}-1\\2\end{bmatrix} \otimes \begin{bmatrix}3& 4\\ 5& 6\\-3&-4\end{bmatrix} = \begin{bmatrix}-3&-4\\-5&-6\\3&4\\6&8\\10&12\\-6&-8\end{bmatrix}

[3 4 5 6 −3 −4]⊗[−1 2]=[−3 −4 6 8 −5 −6 10 12 3 4 −6 −8]\begin{bmatrix}3& 4\\ 5& 6\\-3&-4\end{bmatrix} \otimes \begin{bmatrix}-1\\2\end{bmatrix} = \begin{bmatrix}-3&-4\\6&8\\-5&-6\\10&12\\3&4\\-6&-8\end{bmatrix}

[2]⊗[3]=[6]≡6\begin{bmatrix}2\end{bmatrix} \otimes \begin{bmatrix}3\end{bmatrix} = \begin{bmatrix}6\end{bmatrix} \equiv 6

一些 Tensor product 恆等式,E,R,U,YE, R, U, Y 是矩陣,對應大小都 compatible,而且規定 ⊗\otimes 的運算優先順序比矩陣乘法低,但是比矩陣加法高:

ss 是數字, sR⊗U=R⊗sU=s(R⊗U)s R \otimes U = R \otimes s U = s (R \otimes U)

ER⊗UY=(E⊗U)(R⊗Y)E R \otimes U Y = (E \otimes U) (R \otimes Y)

(E+R)⊗U=E⊗U+R⊗U(E + R) \otimes U = E \otimes U + R \otimes U

U⊗(E+R)=U⊗E+U⊗RU \otimes (E + R) = U \otimes E + U \otimes R

U⊗E⊗R≡U⊗(E⊗R)=(U⊗E)⊗RU \otimes E \otimes R \equiv U \otimes (E \otimes R) = (U \otimes E) \otimes R

(U⊗E) T=U T⊗E T(U \otimes E)^T = U^T \otimes E^T

U⊗E¯=U¯⊗E¯\overline{U \otimes E} = \overline{U} \otimes \overline{E}

所以如果 u 1,u 2,v 1,v 2u_1, u_2, v_1, v_2 是行向量, ⟨u 1⊗v 1|u 2⊗v 2⟩=⟨u 1|u 2⟩⋅⟨v 1|v 2⟩\langle u_1 \otimes v_1 |u_2 \otimes v_2 \rangle = \langle u_1 | u_ 2 \rangle \cdot \langle v_1 | v_2 \rangle

所以另一種看法可以把兩個系統視為同一個系統,但是有四種狀態,整體變換叫做 CC,定義是:

[C(a 1⊗b 1) C(a 1⊗b 2) C(a 2⊗b 1) C(a 2⊗b 2)] =[a 1⊗b 1 a 1⊗b 2 a 2⊗b 1 a 2⊗b 2][x 11y 11 x 11y 12 x 12y 11 x 12y 12 x 11y 21 x 11y 22 x 12y 21 x 12y 22 x 21y 11 x 21y 12 x 22y 11 x 22y 12 x 21y 21 x 21y 22 x 22y 21 x 22y 22] =([a 1 a 2]⊗[b 1 b 2])([x 11 x 12 x 21 x 22]⊗[y 11 y 12 y 21 y 22]) =[a 1 a 2][x 11 x 12 x 21 x 22]⊗[b 1 b 2][y 11 y 12 y 21 y 22]\begin{aligned}&\begin{bmatrix}C(a_1 \otimes b_1)& C(a_1 \otimes b_2)& C(a_2 \otimes b_1)& C(a_2 \otimes b_2)\end{bmatrix}\\&= \begin{bmatrix}a_1 \otimes b_1& a_1 \otimes b_2 &a_2 \otimes b_1& a_2 \otimes b_ 2\end{bmatrix} \begin{bmatrix}x_{11} y_{11}& x_{11} y_{12}& x_{12} y_{11}& x_{12} y_{12}\\x_{11} y_{21}& x_{11} y_{22}& x_{12} y_{21}& x_{12} y_{22}\\ x_{21} y_{11}& x_{21} y_{12}& x_{22} y_{11}& x_{22} y_{12}\\ x_{21} y_{21}& x_{21} y_{22}& x_{22} y_{21}& x_{22} y_{22}\end{bmatrix}\\&= \left(\begin{bmatrix}a_1& a_2\end{bmatrix} \otimes \begin{bmatrix}b_1& b_2\end{bmatrix}\right) \left( \begin{bmatrix}x_{11}&x_{12}\\x_{21}& x_{22}\end{bmatrix} \otimes \begin{bmatrix}y_{11}& y_{12}\\ y_{21}& y_{22}\end{bmatrix} \right)\\&= \begin{bmatrix}a_1& a_2\end{bmatrix} \begin{bmatrix}x_{11}&x_{12}\\x_{21}& x_{22}\end{bmatrix} \otimes \begin{bmatrix}b_1& b_2\end{bmatrix} \begin{bmatrix}y_{11}& y_{12}\\ y_{21}& y_{22}\end{bmatrix}\end{aligned}

把例六的答案用 Tensor 展開之後的矩陣表示

[p 1¯ p 2¯][x 11 x 12 x 21 x 22][q 1 q 2]⋅[r 1¯ r 2¯][y 11 y 12 y 21 y 22][s 1 s 2] =([p 1¯ p 2¯]⊗[r 1¯ r 2¯])([x 11 x 12 x 21 x 22]⊗[y 11 y 12 y 21 y 22])([q 1 q 2]⊗[s 1 s 2])\begin{aligned}&\begin{bmatrix}\overline{p_1}&\overline{p_2}\end{bmatrix} \begin{bmatrix}x_{11}& x_{12}\\ x_{21}& x_{22}\end{bmatrix} \begin{bmatrix}q_1\\ q_2\end{bmatrix} \cdot \begin{bmatrix}\overline{r_1}&\overline{r_2}\end{bmatrix} \begin{bmatrix}y_{11}& y_{12}\\y_{21}& y_{22}\end{bmatrix} \begin{bmatrix}s_1\\ s_2\end{bmatrix}\\&= \left(\begin{bmatrix}\overline{p_1}&\overline{p_2}\end{bmatrix} \otimes \begin{bmatrix}\overline{r_1}&\overline{r_2}\end{bmatrix}\right) \left(\begin{bmatrix}x_{11}& x_{12}\\ x_{21}& x_{22}\end{bmatrix} \otimes \begin{bmatrix}y_{11}& y_{12}\\y_{21}& y_{22}\end{bmatrix}\right) \left(\begin{bmatrix}q_1\\ q_2\end{bmatrix} \otimes \begin{bmatrix}s_1\\ s_2\end{bmatrix}\right)\end{aligned}

許多問題的型式是 p 1,p 2,r 1,r 2p_1 , p_2 , r_1 , r_2 固定,問不同的同時多個向量,這裡是 [q 1 q 2]\begin{bmatrix}q_1\\ q_2\end{bmatrix} 和 [s 1 s 2]\begin{bmatrix}s_1\\ s_2\end{bmatrix} ,對應的一個結果數值,而且這個數值相對於個別向量都是線性。所以有些書也把 Tensor 定義成一個對於輸入的諸多向量都線性的函數。如果函數需要 nn 個向量當作輸入就叫做 nn-Tensor,例如例六的答案就叫做 2-Tensor。 一個計算 nn 個 quantum bit 系統的某個狀態的複數機率的問題就是個 nn-Tensor 問題,對應的矩陣大小是 2 n2^n 。

例七

一個疊加狀態 q 1a 1+q 2a 2q_1 a_1 + q_2 a_2 ,經過系統一的變換之後的狀態,在狀態 p 1a 1+p 2a 2p_1 a_1 + p_2 a_2 ,而且,另一個系統二的一個疊加狀態 s 1b 1+s 2b 2s_1 b_1 + s_2 b_2 ,經過系統二的變換之後的狀態,在狀態 r 1b 1+r 2b 2r_1 b_1 + r_2 b_2 。這樣情況的複數機率。

疊加狀態 (q 1a 1+q 2a 2)⊗(s 1b 1+s 2b 2)=q 1s 1a 1⊗b 1+q 1s 2a 1⊗b 2+q 2s 1a 2⊗b 1+q 2s 2a 2⊗b 2(q_1 a_1 + q_2 a_2) \otimes (s_1 b_1 + s_2 b_2) = q_1 s_1 a_1 \otimes b_1 + q_1 s_2 a_1 \otimes b_2 + q_2 s_1 a_2 \otimes b_1 + q_2 s_2 a_2 \otimes b_2

疊加狀態 (p 1a 1+p 2a 2)⊗(r 1b 1+r 2b 2)=p 1r 1a 1⊗b 1+p 1r 2a 1⊗b 2+p 2r 1a 2⊗b 1+p 2r 2a 2⊗b 2(p_1 a_1 + p_2 a_2) \otimes (r_1 b_1 + r_2 b_2) = p_1 r_1 a_1 \otimes b_1 + p_1 r_2 a_1 \otimes b_2 + p_2 r_1 a_2 \otimes b_1 + p_2 r_2 a_2 \otimes b_2

所以答案是

[p 1r 1¯ p 1r 2¯ p 2r 1¯ p 2r 2¯][x 11y 11 x 11y 12 x 12y 11 x 12y 12 x 11y 21 x 11y 22 x 12y 21 x 12y 22 x 21y 11 x 21y 12 x 22y 11 x 22y 12 x 21y 21 x 21y 22 x 22y 21 x 22y 22][q 1s 1 q 1s 2 q 2s 1 q 2s 2]\begin{bmatrix}\overline{p_1 r_1}&\overline{p_1 r_2}&\overline{p_2 r_1}&\overline{p_2 r_2}\end{bmatrix} \begin{bmatrix}x_{11} y_{11}& x_{11} y_{12}& x_{12} y_{11}& x_{12} y_{12}\\x_{11} y_{21}& x_{11} y_{22}& x_{12} y_{21}& x_{12} y_{22}\\ x_{21} y_{11}& x_{21} y_{12}& x_{22} y_{11}& x_{22} y_{12}\\ x_{21} y_{21}& x_{21} y_{22}& x_{22} y_{21}& x_{22} y_{22}\end{bmatrix} \begin{bmatrix}q_1 s_1\\ q_1 s_2\\ q_2 s_1\\ q_2 s_2\end{bmatrix}

如上 Tensor 性質所述,這也等於 =([p 1¯ p 2¯]⊗[r 1¯ r 2¯])([x 11 x 12 x 21 x 22]⊗[y 11 y 12 y 21 y 22])([q 1 q 2]⊗[s 1 s 2]) =[p 1¯ p 2¯][x 11 x 12 x 21 x 22][q 1 q 2]⋅[r 1¯ r 2¯][y 11 y 12 y 21 y 22][s 1 s 2]\begin{aligned}&=\left(\begin{bmatrix}\overline{p_1}&\overline{p_2}\end{bmatrix} \otimes \begin{bmatrix}\overline{r_1}&\overline{r_2}\end{bmatrix}\right) \left(\begin{bmatrix}x_{11}& x_{12}\\ x_{21}& x_{22}\end{bmatrix} \otimes \begin{bmatrix}y_{11}& y_{12}\\y_{21}& y_{22}\end{bmatrix}\right) \left(\begin{bmatrix}q_1\\ q_2\end{bmatrix} \otimes \begin{bmatrix}s_1\\ s_2\end{bmatrix}\right)\\&=\begin{bmatrix}\overline{p_1}&\overline{p_2}\end{bmatrix} \begin{bmatrix}x_{11}& x_{12}\\ x_{21}& x_{22}\end{bmatrix} \begin{bmatrix}q_1\\ q_2\end{bmatrix} \cdot \begin{bmatrix}\overline{r_1}&\overline{r_2}\end{bmatrix} \begin{bmatrix}y_{11}& y_{12}\\y_{21}& y_{22}\end{bmatrix} \begin{bmatrix}s_1\\ s_2\end{bmatrix}\end{aligned}

如果只是想知道轉換之後的狀態在各 base 狀態的複數機率分量:

[a 1 a 2][x 11 x 12 x 21 x 22][q 1 q 2]⊗[b 1 b 2][y 11 y 12 y 21 y 22][s 1 s 2]\begin{bmatrix}a_1&a_2\end{bmatrix} \begin{bmatrix}x_{11}& x_{12}\\ x_{21}& x_{22}\end{bmatrix} \begin{bmatrix}q_1\\ q_2\end{bmatrix} \otimes \begin{bmatrix}b_1&b_2\end{bmatrix} \begin{bmatrix}y_{11}& y_{12}\\y_{21}& y_{22}\end{bmatrix} \begin{bmatrix}s_1\\ s_2\end{bmatrix}

衡量這個疊加狀態在 a 1⊗b 1a_1 \otimes b_1 的複數量子機率:

a 1⊗b 1¯ T⋅([a 1 a 2][x 11 x 12 x 21 x 22][q 1 q 2]⊗[b 1 b 2][y 11 y 12 y 21 y 22][s 1 s 2]) =(a 1¯ T⊗b 1¯ T)⋅([a 1 a 2][x 11 x 12 x 21 x 22][q 1 q 2]⊗[b 1 b 2][y 11 y 12 y 21 y 22][s 1 s 2]) =(⟨a 1⊗⟨b 1)⋅([a 1 a 2][x 11 x 12 x 21 x 22][q 1 q 2]⊗[b 1 b 2][y 11 y 12 y 21 y 22][s 1 s 2]) =⟨a 1⋅[a 1 a 2][x 11 x 12 x 21 x 22][q 1 q 2]⊗⟨b 1⋅[b 1 b 2][y 11 y 12 y 21 y 22][s 1 s 2] =[1 0][x 11 x 12 x 21 x 22][q 1 q 2]⊗[1 0][y 11 y 12 y 21 y 22][s 1 s 2] =[x 11 x 12][q 1 q 2]⊗[y 11 y 12][s 1 s 2] =(x 11q 1+x 12q 2)⋅(y 11s 1+y 12s 2)\begin{aligned}&\overline{a_1 \otimes b_1}^T \cdot \left( \begin{bmatrix}a_1&a_2\end{bmatrix} \begin{bmatrix}x_{11}& x_{12}\\ x_{21}& x_{22}\end{bmatrix} \begin{bmatrix}q_1\\ q_2\end{bmatrix} \otimes \begin{bmatrix}b_1&b_2\end{bmatrix} \begin{bmatrix}y_{11}& y_{12}\\y_{21}& y_{22}\end{bmatrix} \begin{bmatrix}s_1\\ s_2\end{bmatrix}\right) \\&= \left(\overline{a_1}^T \otimes \overline{b_1}^T \right) \cdot \left( \begin{bmatrix}a_1&a_2\end{bmatrix} \begin{bmatrix}x_{11}& x_{12}\\ x_{21}& x_{22}\end{bmatrix} \begin{bmatrix}q_1\\ q_2\end{bmatrix} \otimes \begin{bmatrix}b_1&b_2\end{bmatrix} \begin{bmatrix}y_{11}& y_{12}\\y_{21}& y_{22}\end{bmatrix} \begin{bmatrix}s_1\\ s_2\end{bmatrix}\right)\\&= \left(\langle{a_1} \otimes \langle{b_1}\right) \cdot \left( \begin{bmatrix}a_1&a_2\end{bmatrix} \begin{bmatrix}x_{11}& x_{12}\\ x_{21}& x_{22}\end{bmatrix} \begin{bmatrix}q_1\\ q_2\end{bmatrix} \otimes \begin{bmatrix}b_1&b_2\end{bmatrix} \begin{bmatrix}y_{11}& y_{12}\\y_{21}& y_{22}\end{bmatrix} \begin{bmatrix}s_1\\ s_2\end{bmatrix}\right)\\&= \langle{a_1} \cdot \begin{bmatrix}a_1&a_2\end{bmatrix} \begin{bmatrix}x_{11}& x_{12}\\ x_{21}& x_{22}\end{bmatrix} \begin{bmatrix}q_1\\ q_2\end{bmatrix} \otimes \langle{b_1} \cdot \begin{bmatrix}b_1&b_2\end{bmatrix} \begin{bmatrix}y_{11}& y_{12}\\y_{21}& y_{22}\end{bmatrix} \begin{bmatrix}s_1\\ s_2\end{bmatrix} \\&= \begin{bmatrix}1& 0\end{bmatrix} \begin{bmatrix}x_{11}& x_{12}\\ x_{21}& x_{22}\end{bmatrix} \begin{bmatrix}q_1\\ q_2\end{bmatrix} \otimes \begin{bmatrix}1& 0\end{bmatrix} \begin{bmatrix}y_{11}& y_{12}\\y_{21}& y_{22}\end{bmatrix} \begin{bmatrix}s_1\\ s_2\end{bmatrix} \\&= \begin{bmatrix}x_{11}& x_{12}\end{bmatrix} \begin{bmatrix}q_1\\ q_2\end{bmatrix} \otimes \begin{bmatrix}y_{11}& y_{12}\end{bmatrix} \begin{bmatrix}s_1\\ s_2\end{bmatrix} \\&= (x_{11} q_1 + x_{12} q_2) \cdot (y_{11} s_1 + y_{12} s_2)\end{aligned}

計算的結果也是 a 1⊗b 1p_1 = 1 ,   p_2 = 0 ,   r_1 = 1 ,   r_2 =a_1 \otimes b_1 的係數。疊加狀態的 base 狀態是 a 1⊗b 1,a 1⊗b 2,a 2⊗b 1,a 2⊗b 2a_1 \otimes b_1,a_1 \otimes b_2,a_2 \otimes b_1,a_2 \otimes b_2

函數 2-Tensor 本身也是個向量空間,base 是 a 1¯ T⊗b 1¯ T,a 1¯ T⊗b 2¯ T,a 2¯ T⊗b 1¯ T,a 2¯ T⊗b 2¯ T\overline{a_1}^T \otimes \overline{b_1}^T,\overline{a_1}^T \otimes \overline{b_2}^T,\overline{a_2}^T \otimes \overline{b_1}^T,\overline{a_2}^T \otimes \overline{b_2}^T


如果有 nn 個 quantum bit ,unitary 矩陣和向量的大小是 2 n2^n ,很多時候 Unitary 矩陣的大部分 entry 都是零,所以用 Tensor product 來表示和計算會比較省力,尤其某些 quantum bit 對應的向量部分已經視為常數,畢竟多半都只是算到某個 base vector 的係數,也就是在這個 base 狀態的複數機率 。

例八

U 是個 n quantum bit unitary,Ctrl_U 有兩個輸入,一個是 1 bit 另一個是 nn bit。這個 n+1n+1 quantum bit unitary 的定義是 CU((α0⟩+β1⟩)⊗ψ)=α0⟩⊗ψ+β1⟩⊗U(ψ)CU\left((\alpha {0}\rangle + \beta {1}\rangle) \otimes \psi \right) = \alpha {0}\rangle \otimes \psi + \beta {1}\rangle \otimes U(\psi) 。它的矩陣長什麼樣子?

以 vv 表示 ψ\psi 的向量,大小是 2 n2^n 。以矩陣表達輸入 (α0⟩+β1⟩)⊗ψ(\alpha {0}\rangle + \beta {1}\rangle) \otimes \psi 是 (α[1 0]+β[0 1])⊗v=[α β]⊗v\left(\alpha \begin{bmatrix}1\\ 0\end{bmatrix} + \beta \begin{bmatrix}0\\ 1\end{bmatrix} \right) \otimes v = \begin{bmatrix}\alpha\\ \beta\end{bmatrix} \otimes v

以矩陣表達輸出 α0⟩⊗ψ+β1⟩⊗U(ψ)\alpha {0}\rangle \otimes \psi + \beta {1}\rangle \otimes U(\psi) 是

α[1 0]⊗v+β[0 1]⊗Uv=α[v 0]+β[0 Uv]=[vα Uvβ]=[I U][vα vβ]=[I U]([α β]⊗v)\alpha \begin{bmatrix}1\\ 0\end{bmatrix} \otimes v + \beta \begin{bmatrix}0\\ 1\end{bmatrix} \otimes U v = \alpha \begin{bmatrix}v\\ 0\end{bmatrix} + \beta \begin{bmatrix}0\\U v\end{bmatrix} = \begin{bmatrix}v \alpha\\ U v \beta\end{bmatrix} = \begin{bmatrix}I&\\&U\end{bmatrix} \begin{bmatrix}v \alpha\\ v \beta\end{bmatrix} = \begin{bmatrix}I&\\&U\end{bmatrix} \left( \begin{bmatrix}\alpha\\ \beta\end{bmatrix} \otimes v \right)

所以Ctrl_U 對應的 2 n+12^{n + 1} unitary 矩陣是 [I U]\begin{bmatrix}I&\\&U\end{bmatrix}

例九

U 是個 nn quantum bit unitary,Ctrl_U 有兩個輸入,一個是 2 bit 另一個是 nn bit。這個 n+2n+2 quantum bit unitary 的定義是 CU((α00⟩+β01⟩+γ10⟩+δ11⟩)⊗ψ)=α00⟩⊗U 00(ψ)+β01⟩⊗U 01(ψ)+γ10⟩⊗U 10(ψ)+δ11⟩U 11(ψ)CU\left((\alpha {00}\rangle + \beta {01}\rangle + \gamma {10}\rangle + \delta {11}\rangle) \otimes \psi \right)= \alpha {00}\rangle \otimes U_{00}(\psi) + \beta {01}\rangle \otimes U_{01}(\psi) + \gamma {10}\rangle \otimes U_{10}(\psi) + \delta {11}\rangle U_{11}(\psi)

它的矩陣長什麼樣子?

以 vv 表示 ψ\psi 的向量,大小是 2 n2^n 。以矩陣表達輸入是

(α[1 0]⊗[1 0]+β[1 0]⊗[0 1]+γ[0 1]⊗[1 0]+δ[0 1]⊗[0 1])⊗v =(α[1 0 0 0]+β[0 1 0 0]+γ[0 0 1 0]+δ[0 0 0 1])⊗v=[α β γ δ]⊗v=[vα vβ vγ vδ]\begin{aligned}&\left(\alpha \begin{bmatrix}1\\0\end{bmatrix} \otimes \begin{bmatrix}1\\0\end{bmatrix} + \beta \begin{bmatrix}1\\0\end{bmatrix} \otimes \begin{bmatrix}0\\1\end{bmatrix} + \gamma \begin{bmatrix}0\\1\end{bmatrix} \otimes \begin{bmatrix}1\\0\end{bmatrix} + \delta \begin{bmatrix}0\\1\end{bmatrix} \otimes \begin{bmatrix}0\\1\end{bmatrix} \right) \otimes v \\&= \left( \alpha \begin{bmatrix}1\\0\\0\\0\end{bmatrix} + \beta \begin{bmatrix}0\\1\\0\\0\end{bmatrix} + \gamma \begin{bmatrix}0\\0\\1\\0\end{bmatrix} + \delta \begin{bmatrix}0\\0\\0\\1\end{bmatrix} \right) \otimes v = \begin{bmatrix}\alpha \\\beta \\\gamma \\\delta\end{bmatrix} \otimes v = \begin{bmatrix}v \alpha \\v \beta \\v \gamma \\v \delta\end{bmatrix}\end{aligned}

以矩陣表達輸出是

α[1 0 0 0]⊗U 00v+β[0 1 0 0]⊗U 01v+γ[0 0 1 0]⊗U 10v+δ[0 0 0 1]⊗U 11v =[U 00vα 0 0 0]+[0 U 01vβ 0 0]+[0 0 U 10vγ 0]+[0 0 0 U 11vδ] =[U 00 U 01 U 10 U 11][vα vβ vγ vδ]\begin{aligned}&\alpha \begin{bmatrix}1\\0\\0\\0\end{bmatrix} \otimes U_{00} v + \beta \begin{bmatrix}0\\1\\0\\0\end{bmatrix} \otimes U_{01} v + \gamma \begin{bmatrix}0\\0\\1\\0\end{bmatrix} \otimes U_{10} v + \delta \begin{bmatrix}0\\0\\0\\1\end{bmatrix} \otimes U_{11} v \\&= \begin{bmatrix}U_{00} v \alpha\\0\\0\\0\end{bmatrix} + \begin{bmatrix}0\\U_{01} v \beta\\0\\0\end{bmatrix} + \begin{bmatrix}0\\0\\U_{10} v \gamma\\0\end{bmatrix} + \begin{bmatrix}0\\0\\0\\U_{11} v \delta\end{bmatrix} \\&= \begin{bmatrix}U_{00}&&&\\&U_{01}&&\\&&U_{10}&\\&&&U_{11}\end{bmatrix} \begin{bmatrix}v \alpha \\v \beta \\v \gamma \\v \delta\end{bmatrix}\end{aligned}

所以Ctrl_U 對應的 2 n+22^{n + 2} unitary 矩陣是 [U 00 U 01 U 10 U 11]\begin{bmatrix}U_{00}&&&\\&U_{01}&&\\&&U_{10}&\\&&&U_{11}\end{bmatrix}