การสองร้อยกิ๊กนั้นมีความหมายว่าอะไรกัน?


15

ฉันได้ทำการวิจัยออนไลน์บางอย่างเกี่ยวกับ qubits และปัจจัยที่ทำให้พวกเขาเสียชื่อนั่นคือการอนุญาตให้ qubits ถือ 1 และ 0 ได้ในเวลาเดียวกัน มันคือ (แม้อยู่ฝั่งตรงข้ามของกาแลคซี)

ในขณะที่อ่านเกี่ยวกับเรื่องนี้ใน Wikipedia ฉันได้เห็นสมการบางอย่างซึ่งยังยากสำหรับฉันที่จะเข้าใจ นี่คือเชื่อมโยงไปยังวิกิพีเดีย

คำถาม:

  1. พวกเขาเข้าไปพัวพันกันอย่างไรตั้งแต่แรก?

  2. พวกเขาเกี่ยวข้องกับข้อมูลของพวกเขาอย่างไร


2
คุณสามารถลองลิงค์ไปยังบทความ Wikipedia / รวมสูตรไว้ในคำถามของคุณได้หรือไม่? สิ่งนี้จะทำให้ผู้อื่นเข้าใจได้ง่ายขึ้นว่าปัญหาของคุณคืออะไร
— MEE - Reinstate Monica

คำตอบของ snulty เป็นคำตอบที่มีคุณภาพสูงในคำถามที่ 1 ในโพสต์นี้ แต่มันสั้นไปนิดที่จะตอบคำถามชื่อ ความยุ่งเหยิงเป็นแนวคิดที่ลึกซึ้งซึ่งไม่สามารถลดลงได้อย่างสมบูรณ์ให้กับ "ทั้งสองระบบมีความสัมพันธ์อย่างสมบูรณ์แบบ" คำตอบโดย DaftWullie ไปอีกเล็กน้อยในการพยายามอธิบายว่าทำไมความพัวพันไม่ใช่แค่ความสัมพันธ์ที่สมบูรณ์แบบ คำหลักสำหรับการค้นหาในอนาคตคือ Bell Inequalities และ aper ที่ยอดเยี่ยมนี้โดย Mermin web.pdx.edu/~pmoeck/lectures/Mermin%20longer.pdf
— Andrea

คำตอบ:


17

สำหรับตัวอย่างง่ายๆสมมติว่าคุณมีสอง qubits ในสถานะที่แน่นอนและ| 0 ⟩ สถานะรวมของระบบคือ| 0 ⟩ ⊗ | 0 ⟩หรือ| 00 ⟩ในชวเลข|0⟩|0⟩|0⟩⊗|0⟩|00⟩

แล้วถ้าเราใช้ผู้ประกอบการต่อไปนี้เพื่อ qubits นี้ (ภาพจะถูกตัดออกจากsuperdense เข้ารหัสหน้าวิกิพีเดีย) ส่งผลให้รัฐเป็นรัฐทอดหนึ่งของรัฐระฆัง

ป้อนคำอธิบายรูปภาพที่นี่

ครั้งแรกในภาพเรามีประตู Hadamard ที่ทำหน้าที่ใน qubit แรกซึ่งในรูปแบบอีกต่อไปคือเพื่อให้มันเป็นตัวดำเนินการประจำตัวใน qubit ที่สองH⊗I

เมทริกซ์ Hadamard ดูเหมือน โดยที่คำสั่งพื้นฐานนั้น{| 0⟩,| 1⟩}

H=12(111−1)
{|0⟩,|1⟩}

ดังนั้นหลังจากผู้ประกอบการฮาดามาร์ดทำหน้าที่เป็นรัฐในขณะนี้

(H⊗I)(|0⟩⊗|0⟩)=H|0⟩⊗I|0⟩=12(|0⟩+|1⟩)⊗(|0⟩)=12(|00⟩+|10⟩)

ส่วนถัดไปของวงจรที่ควบคุมไม่ได้ประตูซึ่งจะทำหน้าที่ในคิวบิตที่สองถ้าคิวบิตแรกคือ11

คุณสามารถแทนเป็น| 0 ⟩ ⟨ 0 | ⊗ I + | 1 ⟩ ⟨ 1 | ⊗ Xโดยที่| 0 ⟩ ⟨ 0 | เป็นผู้ประกอบการฉายลงบนบิต0หรือในรูปแบบเมทริกซ์( 1 0 0 0 ) ในทำนองเดียวกัน| 1 ⟩ ⟨ 1 | คือ( 0 0 0 1 )CNOT|0⟩⟨0|⊗I+|1⟩⟨1|⊗X|0⟩⟨0|0(1000)|1⟩⟨1|(0001)

ผู้ประกอบการเป็นผู้ประกอบการพลิกบิตแสดงเป็น( 0 1 1 0 )X(0110)

โดยรวมเมทริกซ์คือ( 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 )CNOT(1000010000010010)

เมื่อเราใช้เราสามารถใช้การคูณเมทริกซ์ด้วยการเขียนสถานะของเราเป็นเวกเตอร์( 1)CNOTหรือเราสามารถใช้แบบฟอร์มผลิตภัณฑ์เทนเซอร์(120120)

CNOT(12(|00⟩+|10⟩))=12(|00⟩+|11⟩)

เราเห็นว่าในส่วนแรกของรัฐบิตแรกเป็น0ดังนั้นบิตที่สองที่เหลืออยู่คนเดียว; ส่วนที่สองของรัฐ| 10 ⟩บิตแรกเป็น1ดังนั้นบิตที่สองคือการพลิกจาก0ที่จะ1|00⟩0|10⟩101

สถานะสุดท้ายของเราคือซึ่งเป็นหนึ่งในสี่เบลล์ฯ ซึ่งเป็นรัฐพันกันยุ่งที่สุด

12(|00⟩+|11⟩)

เมื่อต้องการดูความหมายสำหรับพวกเขาที่จะเข้าไปพัวพันให้สังเกตว่าถ้าคุณวัดสถานะของ qubit แรกบอกว่าถ้าคุณพบว่ามันเป็นมันจะบอกคุณทันทีว่า qubit ที่สองนั้นต้องเป็น0เพราะ เป็นไปได้เพียงอย่างเดียวของเรา00

เปรียบเทียบกับสถานะนี้เช่น:

12(|00⟩+|01⟩+|10⟩+|11⟩).

12(|00⟩+|01⟩)01

01


อัปเดต 1: คู่มือขนาดเล็กเพื่อสัญกรณ์ QM / QC / Dirac

{|0⟩,|1⟩}H=span⁡{|0⟩,|1⟩}

|0⟩(10)|1⟩(01)Xσx|0⟩↦|1⟩|1⟩↦|0⟩(0110)

nH⊗n:=H⊗H⊗⋯⊗H⏞n−times|0⟩⊗|1⟩⊗|1⟩⊗…⊗|0⟩|011…0⟩

H⊗2=H⊗H{|0⟩⊗|0⟩,|0⟩⊗|1⟩,|1⟩⊗|0⟩,|1⟩⊗|1⟩}{|00⟩,|01⟩,|10⟩,|11⟩}

3

{|000⟩,|001⟩,|010⟩,|011⟩,|100⟩,|101⟩,|110⟩,|111⟩}.

|0⟩⊗|0⟩=(10)⊗(10):=(1⋅(10)0⋅(10))=(1000)

และ

|0⟩⊗|1⟩=(10)⊗(01):=(1⋅(01)0⋅(10))=(0100)

และในทำนองเดียวกัน

|1⟩⊗|0⟩=(0010),|1⟩⊗|1⟩=(0001)

X1X2:=X⊗X

X1X2=X⊗X=(0110)⊗(0110)=(0⋅(0110)1⋅(0110)1⋅(0110)0⋅(0110))=(0001001001001000)

CNOT|0⟩⟨0|⊗I+|1⟩⟨1|⊗X∗(1000)⊗(1001)+(0001)⊗(0110)CNOT

2nn8×8416×16

∗|0⟩⟨0|⟨0|1⟩|0⟩|1⟩X=|0⟩⟨1|+|1⟩⟨0|

P0=|0⟩⟨0|P2=PP†=P


ฉันไม่สามารถดูส่วนการคำนวณทั้งหมดได้เนื่องจากฉันไม่มีพื้นฐานที่จะทำให้ง่ายขึ้น แต่มันช่วยให้ฉันได้ความคิด!
— Arshdeep Singh

@ArshdeepSingh ฉันสามารถลองเพิ่มในสิ่งที่ช่วยในการทำความเข้าใจ ฉันอาจเพิ่มสถานะเกี่ยวกับการพันกันอีกเล็กน้อย ดีใจที่มันเป็นบิตที่เป็นประโยชน์อยู่แล้ว :)
— snulty

@snulty บางทีถ้าคุณใช้เครื่องหมายเวกเตอร์สำหรับ qubits การคำนวณจะโปร่งใสมากขึ้น? เพียงข้อเสนอแนะ
— Kiro

1
@ Kiro ฉันได้เพิ่มสัญกรณ์เวกเตอร์ / เมทริกซ์เพียงเล็กน้อยเท่านั้นที่คุณอาจต้องการย้ายออกไปในรูปแบบสัญกรณ์ที่เป็นไปได้เพื่อหลีกเลี่ยงการคูณเมทริกซ์ขนาดใหญ่ด้วยมือ
— snulty

5

แม้ว่าบทความวิกิพีเดียที่เชื่อมโยงนั้นกำลังพยายามใช้ความยุ่งเหยิงเป็นคุณสมบัติที่แตกต่างจากฟิสิกส์คลาสสิก แต่ฉันคิดว่าเราสามารถเริ่มเข้าใจเกี่ยวกับความยุ่งเหยิงโดยการดูสิ่งคลาสสิกที่สัญชาตญาณของเราทำงานได้ดีขึ้นเล็กน้อย ...

ลองจินตนาการว่าคุณมีตัวสร้างตัวเลขสุ่มที่แต่ละครั้งจะแยก 0,1,2 หรือ 3 ออกมาโดยปกติคุณจะสร้างความน่าจะเป็นเท่า ๆ กัน แต่เราสามารถกำหนดความน่าจะเป็นให้กับผลลัพธ์แต่ละรายการที่เราต้องการ ตัวอย่างเช่นลองให้ 1 และ 2 แต่ละอันกับความน่าจะเป็น 1/2 และไม่เคยให้ 0 หรือ 3 ดังนั้นทุกครั้งที่ตัวสร้างตัวเลขสุ่มเลือกอะไรสักอย่างมันให้ 1 หรือ 2 และคุณไม่รู้ว่าจะเกิดอะไรขึ้น เป็น. ทีนี้, ลองเขียนตัวเลขเหล่านี้เป็นเลขฐานสอง, 1 เป็น 01 และ 2 เป็น 10 จากนั้นเราแจกแต่ละบิตให้กับคนอื่น, พูดว่า Alice และ Bob ตอนนี้เมื่อตัวสร้างตัวเลขสุ่มเลือกค่าทั้ง 01 หรือ 10 อลิซมีส่วนหนึ่งส่วนและบ๊อบมีอีกส่วนหนึ่ง ดังนั้นอลิซสามารถมองดูสิ่งที่เธอได้รับและอะไรก็ตามที่เธอได้รับเธอรู้ว่าบ็อบมีค่าที่ตรงกันข้าม เราบอกว่าบิตเหล่านี้มีความสัมพันธ์ที่ดี

|ψ⟩=12(|01⟩−|10⟩)
|ψ⟩

ความแตกต่างนั้นมาจากข้อเท็จจริงที่ว่าสิ่งนี้ถือเป็นจริงสำหรับทุก ๆ การวัดที่เป็นไปได้และสำหรับกรณีนี้ผลการวัดจะต้องไม่แน่นอนและนั่นคือสิ่งที่มันแตกต่างจากเคสแบบดั้งเดิม (คุณอาจต้องการอ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับการทดสอบแบบเบลล์ โดยเฉพาะการทดสอบ CHSH ) ในตัวอย่างหมายเลขสุ่มแบบคลาสสิกที่ฉันอธิบายตอนเริ่มต้นเมื่อตัวสร้างตัวเลขสุ่มเลือกบางอย่างมาแล้วไม่มีเหตุผลว่าทำไมมันจึงไม่สามารถคัดลอกได้ คนอื่นจะสามารถรู้ได้ว่าคำตอบของทั้งอลิซและบ็อบจะได้รับคืออะไร อย่างไรก็ตามในเวอร์ชั่นควอนตัมคำตอบที่ว่าอลิซกับบ๊อบไม่ได้มีอยู่ก็เป็นไปอย่างก้าวหน้าและดังนั้นจึงไม่มีใครสามารถรู้ได้ หากใครบางคนรู้จักพวกเขาทั้งสองคำตอบก็จะไม่ถูกต่อต้านอย่างสมบูรณ์ นี่คือพื้นฐานของการแจกแจงคีย์ควอนตัม ตามที่อธิบายไว้โดยทั่วไปแล้วสามารถตรวจจับการมีอยู่ของดักฟังได้

บางสิ่งเพิ่มเติมที่อาจช่วยในการพยายามเข้าใจความยุ่งเหยิง: ในทางคณิตศาสตร์มันไม่ต่างไปจากการซ้อนทับ แต่ในบางครั้งคุณแยกส่วนที่ซ้อนทับกันออกไปในระยะไกลและความจริงที่ว่ามันยากที่จะทำ การแยกเป็นแหล่งทรัพยากรที่คุณสามารถทำสิ่งที่น่าสนใจได้ จริงๆแล้วพัวพันคือทรัพยากรของสิ่งที่หนึ่งอาจเรียกว่า 'การทับซ้อนแบบกระจาย'


2

พัวพันเป็นปรากฏการณ์ทางกายภาพของควอนตัมแสดงให้เห็นในการทดลองปฏิบัติแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ในกลศาสตร์ควอนตัม เราสามารถสร้างการคาดเดาที่สร้างสรรค์หลายอย่างเกี่ยวกับสิ่งที่มันเป็น (ปรัชญา) แต่ในตอนท้ายของวันเราแค่ต้องยอมรับมันและเชื่อใจในคณิตศาสตร์

จากมุมมองทางสถิติเราสามารถคิดว่ามันเป็นความสัมพันธ์ที่สมบูรณ์ (1 หรือ -1) ระหว่างตัวแปรสุ่มสองตัว (qubits) เราอาจไม่ทราบว่าตัวแปรเหล่านี้เกิดขึ้นก่อน แต่เมื่อเราวัดหนึ่งของพวกเขาเนื่องจากความสัมพันธ์อื่น ๆ จะมีสิทธิ์ได้ ฉันเพิ่งเขียนบทความเกี่ยวกับวิธีการจัดการความยุ่งเหยิงของควอนตัมโดยเครื่องจำลองการคำนวณควอนตัมซึ่งคุณอาจพบว่ามีประโยชน์เช่นกัน


ฉันมีกระดาษเปล่าสองแผ่น ฉันพลิกเหรียญแล้วเขียนผลลัพธ์ลงบนทั้งสองแล้วพับมัน ฉันส่งหนึ่งชิ้นจากสองชิ้นให้คุณ กระบวนการนี้สร้างตัวแปรสุ่มสองตัว คุณอาจไม่ทราบคุณค่าของสิ่งใดสิ่งหนึ่ง แต่ถ้าคุณวัดค่าตัวหนึ่งคุณจะรู้ค่าอีกอย่างทันที กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับเศษกระดาษหรือไม่?
— Andrea

เป็นคำถามที่ดีมาก! การเปรียบเทียบอาจดูเหมือนถูกต้องในตอนแรก แต่มีปัญหาหนึ่งเมื่อ qubits กลายเป็นพันกันคุณสามารถดำเนินการเพิ่มเติมเกี่ยวกับพวกเขาปรับเปลี่ยนสถานะภายในของพวกเขาพร้อมกัน ลักษณะการทำงานนี้สามารถนำมาใช้เช่นการดำเนินการteleportation ควอนตัม ในกรณีของคุณเราจบลงด้วยระบบคลาสสิกที่รัฐกำหนดไว้ล่วงหน้าและการดำเนินการเพิ่มเติมที่ใช้ประโยชน์จากปรากฏการณ์พัวพันทางกายภาพเป็นไปไม่ได้
— โทมัส CG de Vilhena

แน่นอน! ฉันจะเพิ่มการสนทนาสั้น ๆ ตามบรรทัดเหล่านี้เพื่อทำคำตอบของคุณให้สมบูรณ์
— Andrea
โดยการใช้ไซต์ของเรา หมายความว่าคุณได้อ่านและทำความเข้าใจนโยบายคุกกี้และนโยบายความเป็นส่วนตัวของเราแล้ว
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.