두 큐빗이 얽힌다는 것은 무엇을 의미합니까?


15

나는 qubits에 대한 일종의 온라인 조사를 해왔으며 그것들을 악명 높게 만드는 요인, 즉 qubits가 1과 0을 동시에 보유하도록 허용하고 또 다른 것은 qubits가 어떻게 든 얽혀서 얼마나 멀리 있든 관련 데이터를 가질 수 있다는 것입니다 그것들은 (은하의 반대편에도있다).

Wikipedia에서 이것에 대해 읽는 동안 나는 이해하기 어려운 방정식을 보았습니다. 다음은 Wikipedia 링크 입니다.

질문 :

  1. 그들은 처음에 어떻게 얽혀 있습니까?

  2. 그들은 그들의 데이터를 어떻게 관련 시키는가?


2
Wikipedia 기사에 링크하거나 질문에 수식을 포함시킬 수 있습니까? 이를 통해 다른 사람들이 귀하의 문제가 무엇인지 정확하게 이해할 수 있습니다.
MEE-복직 모니카

snulty의 답변은이 게시물의 고품질 답변 질문 1이지만 제목 질문에 대답하는 데 약간 부족합니다. 얽힘은 "두 시스템이 완벽하게 상호 연관되어있다"고 완전히 환원 될 수없는 미묘한 개념이다. DaftWullie의 답변은 왜 엉킴이 완벽한 상관 관계가 아닌지 설명하려고 조금 더 나아가고 있습니다. 미래의 검색을위한 키워드는 Bell 불평등이며 Mermin web.pdx.edu/~pmoeck/lectures/Mermin%20longer.pdf의
Andrea

답변:


17

간단한 예를 들어, 명확한 상태 및 두 개의 큐 비트가 있다고 가정하십시오 . 시스템의 결합 상태는 또는 입니다.| 0 | 0 | 0 | 00 |0|0|0|0|00

그런 다음 qubits에 다음 연산자를 적용하면 (이미지는 초 고밀도 코딩 위키 페이지 에서 잘림 ) 결과 상태는 얽힌 상태 ( 종 상태 중 하나)입니다 .

여기에 이미지 설명을 입력하십시오

먼저 이미지에서 첫 번째 qubit에 작동하는 hadamard gate가 있습니다. 더 긴 형식의 이므로 두 번째 qubit의 ID 연산자입니다.HI

hadamard 행렬은 와 같이 기본이 .{| 0,| 1}

H=12(1111)
{|0,|1}

hadamard 연산자가 작동 한 후 상태는 이제

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

회로의 다음 부분은 제 큐 비트가있는 경우에만 상기 제 큐빗에 작용하는 제어되지 게이트 인 .1

당신은 나타낼 수 같이 , 어디비트 에 대한 투영 연산자 이거나 행렬 형식 의 투영 연산자 입니다. 마찬가지로되고 .| 0 0 | I + | 1 1 | X | 0 0 | 0 ( 1 0 0 0 ) | 1 1 | ( 0 0 0 1 )CNOT|00|I+|11|X|00|0(1000)|11|(0001)

연산자로 표현 비트 플립 연산자 .( 0 1 1 0 )X(0110)

매트릭스는 전체적으로( 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 )CNOT(1000010000010010)

를 적용 할 때 상태를 벡터 로 작성하여 행렬 곱셈을 사용할 수 있습니다. 또는 텐서 제품 양식을 사용할 수 있습니다.( 1CNOT(120120)

CNOT(12(|00+|10))=12(|00+|11)

상태의 첫 번째 부분 에서 첫 번째 비트는 이므로 두 번째 비트는 그대로 남아 있습니다. 상태의 두번째 부분 첫번째 비트는 이므로, 두번째 비트는 에서 플립됩니다 .0 | 10 1 0 1|000|10101

마지막 상태는 최대 얽힌 상태 인 4 개의 벨 상태 중 하나 인 입니다.

12(|00+|11)

그들을 얽혀되는 것이 통지를 무엇을 의미하는지 확인하려면 당신은 당신이이 것을 발견하면, 첫 번째 큐 비트 말의 상태를 측정 할 수 있다면 즉시 또한 당신에게 두 번째 큐 비트를 알려주는 것으로이 있기 때문에, 그것이 우리의 유일한 가능성입니다.000

예를 들어이 상태와 비교하십시오.

12(|00+|01+|10+|11).

첫 번째 큐 비트가 0임을 측정하면 상태는 축소되며 두 번째 큐빗 은 여전히 ​​50-50 확률입니다. qubit은 또는 입니다.0112(|00+|01)01

바라건대 이것은 상태가 어떻게 얽히게 될 수 있는지에 대한 아이디어를 제공합니다. 얽힌 광자 또는 전자 등과 같은 특정 예를 알고 싶다면 특정 게이트를 구현하는 방법을 조사해야하지만 여전히 같은 방식으로 수학을 쓸 수 있습니다 과 은 다른 것을 나타낼 수 있습니다. 다른 물리적 상황.101


업데이트 1 : QM / QC / Dirac 표기법에 대한 미니 안내서

일반적으로 단일 qubit에 대해 인 표준 계산 (직교 정규) 기준이 있습니다. 은 벡터 공간입니다.H = 스팬 { | 0 , | 1 }{|0,|1}H=span{|0,|1}

우리가 식별 할 수있는 기초의 순서에 와 과 와 . 그런 다음이 기준을 사용하여 단일 qubit 연산자를 행렬 형식으로 작성할 수 있습니다. 예를 들어 및 을 사용해야 하는 비트 플립 연산자 (pauli- ) 는 로 쓸 수 있습니다. 에서 행렬의 첫 번째 열은 첫 번째 기본 벡터의 이미지입니다.( 1 0 ) | 1 ( 0 1 ) X σ X | 0 | 1 | 1 | 0 ( 0 1 1 0 )|0(10)|1(01)Xσx|0|1|1|0(0110)

-qubits 가 여러 개인 경우 공간에 속해야합니다 . 이 공간의 기본은 0과 1의 문자열로 표시됩니다 (예 : ). 일반적으로 .H n : = n t i m e s HHH | 0 | 1 | 1 ... | 0 | 011 ... 0 nHn:=HHHntimes|0|1|1|0|0110

의 기초 인 두 큐빗의 간단한 예 는 또는 속기 입니다. { | 0 | 0, | 0 | 1, | 1 | 0, | 1 | 1}{ | 00, | 01, | 10, | 11}H2=HH{|0|0,|0|1,|1|0,|1|1}{|00,|01,|10,|11}

행렬을 사용하기 위해이 기준을 정렬하는 방법에는 여러 가지가 있지만, 자연적인 방법은 문자열을 2 진 숫자처럼 위와 같이 정렬하는 것입니다. 예를 들어 큐 비트의 경우 과 같이 기본을 주문할 수 있습니다.{ | 000 , | 001 , | 010 , | 011 , | (100) , | (101) , | (110) , | 111 } .3

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

이것이 유용한 이유 는 연산자의 행렬을 위해 Kronecker 제품 과 일치하기 때문 입니다. 예를 들어, 기본 벡터를 먼저 살펴보십시오.

|0|0=(10)(10):=(1(10)0(10))=(1000)

|0|1=(10)(01):=(1(01)0(10))=(0100)

그리고 비슷하게

|1|0=(0010),|1|1=(0001)

예를 들어 두 큐 비트에서 작동하는 연산자 가 있고 위와 같이 기본을 주문하면 행렬의 크로네 커 곱을 사용하여 행렬을 찾을 수 있습니다.X1X2:=XX

X1X2=XX=(0110)(0110)=(0(0110)1(0110)1(0110)0(0110))=(0001001001001000)

위에서 의 예를 보면 . 이것은 와 같이 행렬 형태로 계산 될 수 있습니다. 는 위에서 행렬인지 확인할 수 있습니다 .CNOT|00|I+|11|X(1000)(1001)+(0001)(0110)CNOT

계산 공간이 -qubits에 대해 으로 커지기 때문에 모든 것을 행렬 표현으로 변환하는 대신 속기 및 텐서 제품을 사용하는 것이 좋습니다. 이는 3 큐빗의 경우 행렬, -qubits입니다. 이 행렬과 신속 매트릭스 형태로 변환 실용성보다는된다.2nn8×8416×16

이외에도 : 같은 벡터를 사용하여 표시 할 디랙 표기법에 몇 가지 일반적인 방법이 있습니다 ; 이중 벡터 예 :, 벡터 과 사이의 내부 곱 ; 와 같은 공간의 연산자 .| 0 0 | 0 | 1 | 0 | 1 X = | 0 1 | + | 1 0 ||00|0|1|0|1X=|01|+|10|

과 같은 연산자 투영 연산자는 및 만족하므로 (직교) 투영 연산자 입니다.P 2 = P P = PP0=|00|P2=PP=P


단순화 할 기본 사항이 없기 때문에 전체 계산 부분을 보지 못했습니다. 그러나 그것은 아이디어를 얻는 데 도움이되었습니다!
Arshdeep Singh

@ArshdeepSingh 이해하는 데 도움이되는 모든 것을 추가 할 수 있습니다. 아마도 얽힌 상태에 대해 조금 더 추가 할 수 있습니다. 어쨌든 그것은 약간 도움이되었습니다 :)
snulty

@snulty 아마도 qubits에 벡터 표기법을 사용하면 계산이 더 투명 해집니다. 그냥 제안입니다.
Kiro

1
@Kiro 저는 벡터 / 행렬 표기법에 대해 약간 추가했습니다. 손으로 큰 행렬을 곱하는 것을 피하기 위해 가능한 경우 그 표기법을 벗어나고 싶을 수도 있습니다.
snulty

5

링크 된 위키 백과 기사가 엉킴을 고전 물리학과 구별되는 특징으로 사용하려고 노력하고 있지만, 나는 우리의 직관이 조금 더 잘 작동하는 고전적인 것들을 보면서 얽힘에 대해 약간의 이해를 시작할 수 있다고 생각합니다 ...

매번 0,1,2 또는 3을 뱉어내는 난수 생성기가 있다고 상상해보십시오. 일반적으로 이러한 확률을 동일하게 만들지 만 원하는 각 결과에 확률을 지정할 수 있습니다. 예를 들어, 확률 1/2로 각각 1과 2를주고 절대 0이나 3을주지 않도록하자. 난수 생성기가 무언가를 선택할 때마다 1이나 2를 주며, 무슨 일이 벌어지는 지 미리 알지 못한다 되려고. 이제이 숫자들을 이진수로, 1은 01, 2는 10으로 씁니다. 그리고 나서 우리는 Alice와 Bob에게 각 비트를 다른 사람에게줍니다. 이제 난수 생성기가 01 ​​또는 10의 값을 선택할 때 Alice는 한 부분을 가지고 Bob은 다른 부분을 갖습니다. 그래서 앨리스는 자신의 비트를 볼 수 있으며, 어떤 가치를 얻든 Bob은 반대의 가치를가집니다. 우리는이 비트들이 완벽하게 반-상관된다고 말합니다.

얽힘은 거의 같은 방식으로 작동합니다. 예를 들어, 양자 상태가 여기서 Alice는 한 큐빗의 보유하고 Bob은 다른 하나를 보유합니다. 앨리스가 단일 큐빗 프로젝션 측정을 선택하면 0 또는 1의 답을 얻게됩니다. Bob이 큐빗에서 동일한 측정을 수행하면 항상 반대 답변을 얻습니다. 여기에는 고전적인 사례를 재현하는 Z- 기준 측정이 포함됩니다.| ψ

|ψ=12(|01|10)
|ψ

차이점은 이것이 가능한 모든 측정 기준에 대해 사실이며 사실이기 때문에 측정 결과를 예측할 수 없어야하며 기존의 경우와는 다른 점입니다 (벨 테스트에 대해 읽으려는 경우가 있습니다) 특히 CHSH 테스트 ). 처음에 설명한 고전 난수 예제에서 난수 생성기가 무언가를 선택하면 복사 할 수없는 이유가 없습니다. 다른 사람은 Alice와 Bob의 대답이 무엇인지 알 수있을 것입니다. 그러나 퀀텀 버전에서는 Alice와 Bob이 존재하지 않는 답변이 사전에 있으므로 아무도 알 수 없습니다. 누군가가 그것들을 알고 있다면, 두 대답은 완벽하게 반-상관되지 않을 것입니다. 이것은 양자 키 분배 의 기초입니다 기본적으로 도청의 존재를 감지 할 수 있다고 설명합니다.

얽힘을 이해하는 데 도움이되는 추가 사항 : 수학적으로 중첩과 다르지 않으며, 어느 시점에서 중첩 된 부분을 멀리 떨어진 곳에서 분리한다는 것이 의미가 있습니다. 분리를하면 흥미로운 일을 할 수있는 자원이 제공됩니다. 실제로 얽힘은 '분산 중첩'이라고 부르는 것의 자원입니다.


2

얽힘은 양자 역학에서 수학적으로 모델링 된 실제 실험에서 입증 된 양자 물리 현상입니다. 우리는 그것이 어떤 철학적 (철학적으로)인지에 대한 몇 가지 창조적 인 추측을 내놓을 수 있지만, 하루가 끝나면 그것을 받아들이고 수학을 신뢰해야합니다.

통계적 관점에서 우리는 두 랜덤 변수 (퀴 비트) 사이의 완전한 상관 (1 또는 -1)으로 생각할 수 있습니다. 우리는 이러한 변수 결과를 미리 알지 못할 수도 있지만, 일단 상관 관계로 인해 변수 중 하나를 측정하면 다른 변수를 미리 볼 수 있습니다. 나는 최근 양자 컴퓨팅 시뮬레이터가 양자 얽힘을 처리하는 방법에 대한 기사 를 썼다 .


빈 종이 두 장이 있습니다. 나는 동전을 뒤집어 두 가지 모두에 결과를 쓰고 접습니다. 나는 당신에게 두 조각 중 하나를 건네고 다른 하나를 유지합니다. 이 프로세스는 두 개의 임의 변수를 만듭니다. 둘 중 하나의 가치를 모를 수도 있지만, 하나를 측정하면 다른 하나도 즉시 알게됩니다. 이 과정에서 종이 조각이 엉켜 있습니까?
안드레아

좋은 질문입니다! 비유는 처음에는 유효 해 보일 수 있지만 한 가지 문제가 있습니다. 큐빗이 얽히면 내부 상태를 동시에 수정하여 추가 작업을 수행 할 수 있습니다. 이 동작은 예를 들어 양자 순간 이동 을 구현하는 데 사용될 수 있습니다 . 귀하의 경우 상태가 미리 결정된 고전적인 결정 론적 시스템으로 끝나고 물리적 얽힘 현상을 이용하는 추가 작업은 불가능합니다.
Thomas CG de Vilhena

과연! 답을 완성하기 위해이 행들에 대한 간단한 토론을 추가하겠습니다.
안드레아
당사 사이트를 사용함과 동시에 당사의 쿠키 정책개인정보 보호정책을 읽고 이해하였음을 인정하는 것으로 간주합니다.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.