ใครก็ตามที่เขียนบทความและถามตัวเองว่าพวกเขาสามารถปรับปรุงสัญกรณ์หรือนำเสนอการวิเคราะห์แตกต่างกันเล็กน้อยเพื่อทำให้มันดูสง่างามกว่าคุ้นเคยกับความจริงที่ว่าตัวเลือกของสัญกรณ์คำอธิบายและการวิเคราะห์อาจเป็นอุบัติเหตุได้ ไม่มีแรงจูงใจลึก ไม่มีอะไรผิดปกติกับมัน แต่ก็ไม่มีเหตุผลอันสมควรที่จะเป็นวิธีที่เฉพาะเจาะจง ในชุมชนขนาดใหญ่ของผู้คนที่เกี่ยวข้อง (อาจมีเหตุผล) ด้วยการทำสิ่งต่างๆมากกว่าการนำเสนอภาพที่สะอาดที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้สิ่งนี้จะเกิดขึ้นตลอดเวลา
ฉันคิดว่าคำตอบที่ดีที่สุดสำหรับคำถามนี้จะเป็นไปตามแนวทางเหล่านี้: ส่วนใหญ่เป็นอุบัติเหตุทางประวัติศาสตร์ ฉันสงสัยว่ามีเหตุผลที่พิจารณาอย่างลึกซึ้งสำหรับชุดของเกทอย่างที่พวกเขาเป็นอะไรมากกว่าเหตุผลที่เราพิจารณาอย่างลึกซึ้งว่าทำไมเราถึงพูดถึงรัฐเบลล์ค่อนข้างบ่อยกว่ารัฐ2 | Ψ-⟩=(|01⟩-|10⟩) / √|Φ+⟩=(|00⟩+|11⟩)/2–√|Ψ−⟩=(|01⟩−|10⟩)/2–√
แต่เราสามารถพิจารณาได้ว่าอุบัติเหตุเกิดขึ้นได้อย่างไรและมีบางสิ่งที่เราสามารถเรียนรู้เกี่ยวกับวิธีคิดอย่างเป็นระบบซึ่งอาจนำเราไปที่นั่น ฉันคาดหวังว่าเหตุผลมาจากความสำคัญทางวัฒนธรรมของนักวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์ในท้ายที่สุดด้วยอคติที่ลึกและตื้น ๆ มีบทบาทในการอธิบายสิ่งต่าง ๆ
พูดนอกเรื่องเกี่ยวกับรัฐเบลล์
หากคุณจะทนกับฉันฉันต้องการที่จะอาศัยอยู่ในตัวอย่างของทั้งสองเบลล์รัฐและเป็นตัวอย่างที่บ่งบอกว่าการประชุมโดยพลการในท้ายที่สุดสามารถ ส่วนหนึ่งเกิดจากความเอนเอียงซึ่งไม่มีรากทางคณิตศาสตร์ที่ลึก| Ψ - ⟩|Φ+⟩|Ψ−⟩
เหตุผลหนึ่งที่ชัดเจนสำหรับการเลือกมากกว่าก็คืออดีตนั้นมีความสมมาตรมากกว่า เมื่อเราเพิ่มสององค์ประกอบสำหรับไม่มีความจำเป็นที่ชัดเจนในการปกป้องว่าทำไมเราจึงเขียนมันแบบที่เราทำ ในทางตรงกันข้ามเราสามารถกำหนดด้วยเครื่องหมายตรงข้ามซึ่งไม่ได้ดีไปกว่าหรือแย่กว่าแรงจูงใจ เลือก2 นี้จะทำให้มันรู้สึกว่าเราจะทำให้ทางเลือกโดยพลมากขึ้นเมื่อกำหนด\| Ψ - ⟩ | Φ + ⟩ | Ψ - ⟩ = ( | 10 ⟩ - | 01 ⟩ ) / √|Φ+⟩|Ψ−⟩|Φ+⟩ | Ψ-⟩=(|01⟩-|10⟩) / √|Ψ−⟩=(|10⟩−|01⟩)/2–√ | Ψ-⟩|Ψ−⟩=(|01⟩−|10⟩)/2–√|Ψ−⟩
แม้แต่ทางเลือกพื้นฐานก็มีความยืดหยุ่นในกรณีของ : เราสามารถเขียนและรับสถานะเดียวกัน แต่สิ่งต่าง ๆ เริ่มแย่ลงเล็กน้อยถ้าคุณเริ่มพิจารณา eigenstatesของตัวดำเนินการ : เรามี2 นี้ยังคงมีลักษณะสมมาตรสวย แต่ก็เป็นที่ชัดเจนว่าทางเลือกของพื้นฐานของเรามีบทบาทที่ไม่น่ารำคาญในวิธีการที่เรากำหนด\| Φ + ⟩ : = ( | + + ⟩ + | - - ⟩ ) / √|Φ+⟩ | ±i⟩:=(|0⟩±i|1⟩) / √|Φ+⟩:=(|++⟩+|−−⟩)/2–√ Y| Φ+⟩=(|+i⟩|-ฉัน⟩+|-ฉัน⟩|+i⟩) / √|±i⟩:=(|0⟩±i|1⟩)/2–√Y | Φ+⟩|Φ+⟩=(|+i⟩|−i⟩+|−i⟩|+i⟩)/2–√|Φ+⟩
เรื่องตลกเกี่ยวกับเรา เหตุผลที่ดูเหมือนว่า "สมมาตรมากกว่า" มากกว่าเป็นเพราะเป็นสถานะที่มีสองสมมาตรน้อยที่สุดและทำให้สิ่งนี้ดีขึ้นมีแรงบันดาลใจมากกว่าแทนที่จะมีแรงจูงใจน้อยลง รัฐเป็นที่ไม่ซ้ำกันantisymmetricรัฐ: รัฐที่ไม่ซ้ำกันซึ่งเป็นวิคเตอร์ของการดำเนินการ SWAP และดังนั้นจึงมีส่วนเกี่ยวข้องในการทดสอบการควบคุม-swap สำหรับ distinguishability รัฐ qubit เหนือสิ่งอื่นใด| Ψ - ⟩ | Ψ - ⟩|Φ+⟩|Ψ−⟩|Ψ−⟩| Ψ - ⟩ - 1|Φ+⟩|Ψ−⟩−1
- เราสามารถอธิบายไปถึงเฟสทั่วโลกในฐานะสำหรับสถานะ qubit เดี่ยวใด ๆและสถานะมุมฉากซึ่งหมายความว่าคุณสมบัติที่ทำให้มันน่าสนใจเป็นอิสระจากทางเลือกของพื้นฐาน( | อัลฟ่า⟩ | อัลฟ่า⊥ ⟩ - | อัลฟ่า⊥ ⟩ | อัลฟ่า⟩ ) / √|Ψ−⟩ | อัลฟ่า⟩| อัลฟ่า⊥⟩(|α⟩|α⊥⟩−|α⊥⟩|α⟩)/2–√|α⟩|α⊥⟩
- แม้แต่ช่วงโกลบอลที่คุณใช้เพื่อเขียนสถานะไม่ส่งผลกระทบต่อคำจำกัดความของมากไปกว่าเฟสโกลบอล ไม่เหมือนกันกับ : เป็นการออกกำลังกายสำหรับผู้อ่านถ้าแล้วอะไรคือ ?| Ψ - ⟩ | Φ + ⟩ | 1 ′ ⟩ = i | 1 ⟩ ( | 00 ⟩ + | 1 ′ 1 ′ ⟩ ) / √|α⊥⟩|Ψ−⟩|Φ+⟩|1′⟩=i|1⟩(|00⟩+|1′1′⟩)/2–√
ในขณะเดียวกันเป็นหนึ่งในรัฐที่ยุ่งเหยิงมากที่สุดในพื้นที่สามมิติแบบสมมาตรบนสอง qubits - subspace ของ eigenvectors ของการดำเนินการ SWAP - และดังนั้นจึงไม่มีความแตกต่างในหลักการมากกว่าพูดว่า \+ 1 | Φ - ⟩ ∝ | 00 ⟩ - | 11 ⟩|Φ+⟩+1|Φ−⟩∝|00⟩−|11⟩
หลังจากเรียนรู้สิ่งหนึ่งหรือสองอย่างเกี่ยวกับรัฐเบลล์มันจะกลายเป็นที่ชัดเจนว่าความสนใจของเราในโดยเฉพาะได้รับแรงบันดาลใจจากสมมาตรผิวเผินของสัญกรณ์และไม่ใช่คุณสมบัติทางคณิตศาสตร์ที่มีความหมายอย่างแท้จริง แน่นอนมันเป็นทางเลือกที่พลมากกว่า\ แรงจูงใจที่ชัดเจนเพียงอย่างเดียวสำหรับการเลือกคือเหตุผลทางสังคมวิทยาที่เกี่ยวข้องกับการหลีกเลี่ยงเครื่องหมายลบและหน่วยจินตภาพ และเหตุผลที่สมเหตุสมผลเพียงอย่างเดียวที่ฉันสามารถนึกได้ก็คือวัฒนธรรม: โดยเฉพาะเพื่อให้นักเรียนหรือนักวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์ได้รับการดูแลที่ดีขึ้น| Ψ - ⟩ | Φ + ⟩|Φ+⟩|Ψ−⟩|Φ+⟩
ใครสั่ง CNOT
คุณถามว่าทำไมเราไม่ได้พูดคุยเกี่ยวกับ2 สำหรับฉันคำถามที่น่าสนใจที่คุณถาม: เราจะพูดถึงอย่างไรเมื่อทำสิ่งเดียวกันหลายอย่าง? ฉันเคยเห็นการพูดคุยของนักฟิสิกส์ออปติกที่ทดลองใช้กับนักเรียนที่บรรยายการแสดงในสถานะมาตรฐานว่าเป็นการแสดงประตู Hadamard แต่มันเป็นประตูที่เป็นธรรมชาติมากกว่าสำหรับเขา โอเปอเรเตอร์ยังเกี่ยวข้องโดยตรงกับโอเปอเรเตอร์โดยตรงมากขึ้นอย่างเห็นได้ชัด นักฟิสิกส์ที่จริงจังอาจคิดว่ามันน่าแปลกใจที่เราอาศัยอยู่บนฮาดามาร์แทนมาก H=(X+Z) / √(X+Y)/2–√ √H=(X+Z)/2–√ √Y−−√ √Y−−√ √Y−−√Y−−√
แต่มีช้างตัวใหญ่อยู่ในห้อง - เมื่อเราพูดถึง CNOT ทำไมเราถึงพูดถึง CNOT แทนที่จะเป็นประตูเข้ามาอีกซึ่งเป็นสมมาตรกับปัจจัยเทนเซอร์หรือดีกว่านั้นซึ่งเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงตามธรรมชาติของระบบทางกายภาพมากมาย? ไม่ต้องพูดถึงการรวมกันเช่นหรือตัวแปรอื่น ๆCZ=diag(+1,+1,+1,−1)U=exp(−iπ(Z⊗Z)/2)U′=exp(−iπ(X⊗X)/2)
เหตุผลที่แน่นอนก็คือเรามีความสนใจอย่างชัดเจนในการคำนวณมากกว่าฟิสิกส์ต่อ se เราใส่ใจเกี่ยวกับ CNOT เพราะมันเปลี่ยนมาตรฐานได้อย่างไร (เป็นพื้นฐานที่เป็นที่นิยมไม่ใช่เพราะเหตุผลทางคณิตศาสตร์หรือทางกายภาพ แต่เพื่อเหตุผลที่เน้นมนุษย์เป็นศูนย์กลาง ) Gateด้านบนนั้นลึกลับเล็กน้อยจากจุดของนักวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์: มันไม่ชัดเจนบนพื้นผิวของมันว่ามันมีไว้เพื่ออะไรและที่แย่กว่านั้นคือมันเต็มไปด้วยค่าสัมประสิทธิ์ที่ซับซ้อนของ icky และเกทก็ยิ่งแย่ลงไปอีก ในทางตรงกันข้าม CNOT เป็นผู้ดำเนินการเปลี่ยนรูปเต็ม 1s และ 0s อนุญาตให้ใช้มาตรฐานในลักษณะที่เห็นได้ชัดว่าเกี่ยวข้องกับนักวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์UU′
แม้ว่าฉันทำบิตของสนุกที่นี่ในท้ายที่สุดนี้คือสิ่งที่เรากำลังศึกษาการคำนวณควอนตัม นักฟิสิกส์สามารถมีข้อมูลเชิงลึกที่ลึกซึ้งเกี่ยวกับนิเวศวิทยาของการดำเนินงานเบื้องต้น แต่สิ่งที่นักวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์ใส่ใจในตอนท้ายของวันคือวิธีที่สิ่งต่าง ๆ จะถูกประกอบเป็นกระบวนการที่เข้าใจได้ซึ่งเกี่ยวข้องกับข้อมูลแบบดั้งเดิม และนั่นหมายความว่าไม่สนใจมากเกินไปเกี่ยวกับความสมมาตรในระดับตรรกะที่ต่ำกว่าตราบใดที่พวกเขาสามารถได้รับสิ่งที่ต้องการจากระดับที่ต่ำกว่านั้น
เราพูดถึง CNOT เพราะเป็นประตูที่เราต้องการใช้เวลาคิด จากมุมมองทางกายภาพเช่นและดังที่ได้กล่าวมาแล้วในหลาย ๆ กรณีการดำเนินงานที่เราจะคิดถึงการตระหนักถึง CNOT แต่ CNOT เป็นสิ่งที่เราใส่ใจUU′
ลึกและไม่ลึกนักเหตุผลที่ชอบประตู Hadamard
ฉันคาดหวังว่าการจัดลำดับความสำคัญของนักวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์เป็นแรงบันดาลใจให้กับการประชุมของเราเช่นทำไมเราถึงพูดถึงแทนที่จะเป็น2(X+Z)/2–√Y−−√∝(1−iY)/2–√
การดำเนินการ Hadamard นั้นน่ากลัวเล็กน้อยสำหรับนักวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์ที่ยังไม่คุ้นเคยกับทฤษฎีข้อมูลควอนตัม (วิธีการใช้งานดูเหมือนว่าไม่ใช่ระดับและยังใช้ตัวเลขที่ไม่มีเหตุผล!) แต่เมื่อนักวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์ได้รับความรังเกียจครั้งแรกประตู Hadamard จะมีคุณสมบัติที่พวกเขาชอบ: อย่างน้อยก็เกี่ยวข้องกับสัมประสิทธิ์จริงเท่านั้น มันเป็นสิ่งที่ตรงกันข้ามกับตัวเองและคุณยังสามารถอธิบาย eigenbasis ของด้วยค่าสัมประสิทธิ์ที่แท้จริงH
วิธีหนึ่งที่ Hadamard มักจะเกิดขึ้นคือการอธิบายการสลับระหว่างมาตรฐานพื้นฐานและ 'the' conjugate พื้นฐาน (นั่นคือจะพูดว่า eigenbasis ของตัวดำเนินการเมื่อเทียบกับตัวดำเนินการ ) - ที่เรียกว่า 'บิต' และ 'เฟส' ฐานซึ่งเป็นฐานสองคอนจูเกตที่คุณสามารถแสดงโดยใช้สัมประสิทธิ์จริงเท่านั้น แน่นอน|0⟩,|1⟩|+⟩,|−⟩XYY−−√ยังแปลงระหว่างฐานเหล่านี้ แต่ยังแนะนำการแปลงที่ไม่น่าสนใจถ้าคุณทำสองครั้ง หากคุณต้องการคิดว่า "สลับระหว่างสองฐานที่แตกต่างกันซึ่งคุณอาจเก็บข้อมูล" ประตู Hadamard ดีกว่า แต่นี่สามารถป้องกันได้เฉพาะเมื่อคุณคิดว่าเป็นสิ่งสำคัญโดยเฉพาะ
- เกทเปลี่ยนระหว่างมาตรฐานมาตรฐานและพื้นฐานเฉพาะของ ;H|+⟩,|−⟩
- ถ้าคุณสนใจโดยเฉพาะเกี่ยวกับมีการสั่งซื้อ2H2
คุณอาจประท้วงและพูดว่าเป็นเรื่องธรรมดามากที่จะพิจารณาสลับระหว่างฐาน 'บิต' และ 'เฟส' แต่เราได้แนวคิดนี้มาจากฐานสองแบบเฉพาะสำหรับ 'บิต' และ 'เฟส' อย่างไร เหตุผลเดียวที่เราเลือกเป็น 'พื้นฐาน' เฟสเมื่อเทียบกับเป็นเพราะมันสามารถแสดงออกได้ มีค่าสัมประสิทธิ์ที่แท้จริงเท่านั้นในเกณฑ์มาตรฐาน สำหรับการเลือกโอเปอเรเตอร์ที่มีคำสั่งที่เพื่อเชื่อมโยงกับแนวคิดของการสลับนี้ดูเหมือนจะบ่งบอกถึงความพึงพอใจเป็นพิเศษสำหรับการพิจารณาสิ่งต่าง ๆ โดย 'พลิก' แทนที่จะเป็นการเปลี่ยนแปลงพื้นฐานที่พลิกกลับได้ ลำดับความสำคัญเหล่านี้ตบผลประโยชน์ของวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์|+⟩,|−⟩|+i⟩,|−i⟩2
ซึ่งแตกต่างจากกรณีระหว่างเมื่อเทียบกับนักวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์มีข้อโต้แย้งระดับสูงที่ดีมากสำหรับการเลือกมากกว่า|Φ+⟩|Ψ−⟩H (X+Y) / √Y−−√: ประตู Hadamard เป็นการรวมตัวกันของการแปลงฟูริเยร์บูลีน (นั่นคือมันคือการแปลงฟูริเยร์ควอนตัมบน qubits) สิ่งนี้ไม่สำคัญมากจากมุมมองทางกายภาพ แต่เป็นประโยชน์อย่างมากจากมุมมองการคำนวณและส่วนใหญ่ของผลลัพธ์ทางทฤษฎีในการคำนวณควอนตัมและการสื่อสารในที่สุดก็อยู่ในการสังเกตนี้ แต่ฟูเรียร์บูลีนได้ทำการแปลงในรูปแบบของความไม่สมดุลของวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์ในการคาดเดาความสำคัญของมาตรฐานพื้นฐานและการใช้สัมประสิทธิ์จริงเท่านั้น: ตัวดำเนินการเช่นจะไม่ถูกพิจารณา ในบริเวณนี้(X+Y)/2–√
อาร์กิวเมนต์แนวทแยง
หากคุณเป็นนักวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์เมื่อคุณมี Hadamard และ CNOT สิ่งที่เหลืออยู่ก็คือการทำให้เฟสที่ซับซ้อนน่ารำคาญเหล่านั้นเรียงลำดับตามความคิด แน่นอนว่าขั้นตอนเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่ง แต่เพียงวิธีที่เราพูดถึงขั้นตอนสัมพัทธ์เผยความรู้สึกไม่สบายใจกับความคิด แม้จะอธิบายพื้นฐานมาตรฐานว่าเป็น 'บิต' พื้นฐานสำหรับการจัดเก็บข้อมูลก็ให้ความสำคัญอย่างยิ่งว่า 'เฟส' ใด ๆ ก็ตามมันไม่ใช่วิธีปกติที่คุณจะพิจารณาจัดเก็บข้อมูล เฟสของทุกประเภทเป็นสิ่งที่ต้องจัดการกับหลังจากธุรกิจ 'ของจริง' ในการจัดการกับขนาดของแอมพลิจูด หลังจากเผชิญหน้ากับความจริงที่ว่าคน ๆ หนึ่งสามารถเก็บข้อมูลได้มากกว่าหนึ่งเรื่อง เราแทบจะพูดไม่ได้เลยแม้แต่น้อยเกี่ยวกับขั้นตอนสัมพัทธ์ในจินตนาการถ้าเราสามารถช่วยได้
หนึ่งสามารถรับมือกับเฟสสัมพัทธ์ได้ง่าย ๆ โดยใช้ตัวดำเนินการแนวทแยง เหล่านี้มีข้อได้เปรียบของการเป็นเบาบาง (ด้วยความเคารพต่อพื้นฐานมาตรฐาน ... ) และของเพียงส่งผลกระทบต่อขั้นตอนญาติซึ่งเป็นหลังจากที่ทุกรายละเอียดที่เรากำลังพยายามที่จะอยู่ในขั้นตอนนี้ ดังนั้น Z และเมื่อคุณทำเช่นนั้นทำไมต้องทำมากขึ้น? แน่นอนว่าเราได้อย่างง่ายดายสามารถพิจารณาโดยพลผลัด (และเพราะการสลายตัวของออยเลอร์เราจะเล่นบางริมฝีปากบริการเพื่อการดำเนินงานเหล่านี้) และพลหมุนซึ่งจะกระตุ้นและ Y แต่สิ่งเหล่านี้ไม่ได้เพิ่มสิ่งที่น่าสนใจสำหรับนักวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์ที่คิดว่างานเสร็จแล้ว XY4 √T∝Z−−√4XY 4 √X−−√4Y−−√4
และไม่เร็วเกินไป - เนื่องจากนักวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์ไม่สนใจจริง ๆ ว่าการใช้งานดั้งเดิมนั้นเกิดขึ้นทันทีที่พวกเขาสามารถพิสูจน์ให้เห็นถึงระดับที่สูงขึ้น
สรุป
ฉันไม่คิดว่าจะมีเหตุผลใด ๆ ที่น่าสนใจทางร่างกายที่น่าสนใจว่าทำไมเราจึงใช้ชุดเกท แต่ก็เป็นไปได้อย่างแน่นอนที่จะสำรวจเหตุผลทางจิตวิทยาที่กระตุ้นให้เราทำ ข้างต้นเป็นการเก็งกำไรในทิศทางนี้ซึ่งได้รับการบอกเล่าจากประสบการณ์อันยาวนาน