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  • 量子隐形传态 Quantum Teleportation

    量子隐形传态是量子纠缠的又一个应用。

    隐形传态,所谓隐形的意思就是没有物质介质就传递了信息,在经典世界,传递信息要有介质,光、电磁波或者其他的什么,但是在量子的世界里,我可以把信息传递给你,并且不传递任何一个量子比特。

    量子不能克隆原理

    不能克隆就是说,没有任何一个U操作,可以输入(|psi angle)(|0 angle) 然后得到输出 (|psi angle)(|psi angle)

    why?

    若是真的有这么一个操作算符,如图a,可以复制任意的量子比特 (|u angle) 我们希望的结果如下:

    输入:((alpha_0 | 0 angle +alpha_1 | 1 angle)|0 angle)

    输出:((alpha_0 | 0 angle +alpha_1 | 1 angle)(alpha_0 | 0 angle +alpha_1 | 1 angle))

    另一方面

    我们希望输入是(|00 angle)输出也是(|00 angle),当输入变成(|10 angle)后,输出也就变成(|11 angle)

    而要以上两种情况相等,只有一种可能,即(|u angle)(|0 angle)或者(|1 angle)的时候,但是这样,也就没有叠加态的,这样复制的,也就是一个普通的bit。

    量子隐形传态

    如果Alice要把一个她也不知道具体状态的量子态 (|psi angle=alpha | 0 angle +eta | 1 angle) 的信息传给远方的Bob,她应该怎么办?

    测量 $alpha $ 和 (eta)

    因为Alice也不知道这个比特的具体状态,所以,Alice不能直接告诉Bob (alpha eta) 的值。

    但是Alice也不能去测量,因为一旦测量了,就会导致量子态的坍缩,你只能得到 (|0 angle) 或者 (|1 angle) 而不能得到 $alpha $ 和 (eta) 的具体值。

    但是你也不能复制大量的 (|psi angle) 然后去看掉落到 (|0 angle) 或者 (|1 angle) 的概率,因为量子态不能被复制,用CNOT看似能能够copy量子态的信息,但是他们的状态是纠缠的,测量一个,另一个也就跟着坍缩了。

    Teleportation with CNOT

    图b是前面介绍过的CNOT门,有CNOT门,我们很容易就可以把 (alpha_0 | 00 angle +alpha_1 | 10 angle)变成 (alpha_0 | 00 angle +alpha_1 | 11 angle)

    此时并没有被复制,因为第一个比特和第二个比特之间还是纠缠的,也就是说你测量第一个比特,第二个就会坍缩,你测量第二个,第一个也同理,信息并没有copy两份,所以量子不可复制原理没有被打破。

    接下来我们要来处理第一个比特。

    如果直接测量第一个比特,很明显,第二个比特就坍缩了。

    但是测量还是要测的,不过不是在 (| 0 angle)(| 1 angle) 基,而是在 (| + angle)(| - angle) 基。

    [egin{align}|psi angle&=alpha_0|00 angle + alpha_1|11 angle\&=alpha_0(frac{1}{sqrt2}|+ angle + frac{1}{sqrt2}|- angle)|0 angle+alpha_1(frac{1}{sqrt2}|+ angle - frac{1}{sqrt2}|- angle)|1 angle\&=frac{1}{sqrt2}|+ angle(alpha_0|0 angle + alpha_1|1 angle)+frac{1}{sqrt2}|- angle(alpha_0|0 angle - alpha_1|1 angle) end{align} ]

    (| + angle)(| - angle) 基对第一个比特测量:
    如果测量的结果是 (|+ angle) ,那么第二比特的状态就是 (alpha_0 | 0 angle +alpha_1 | 1 angle) ,正好是我们最初想要传递的态。

    如果测量的结果是 (|- angle) ,那么第二比特的状态就是 (alpha_0 | 0 angle -alpha_1 | 1 angle) ,再经过Z门的翻转就是我们最初想要传递的态了。

    Teleportation without CNOT

    第一个量子比特是Alice想要把信息给Bob的 (|psi angle=alpha | 0 angle +eta | 1 angle) ,第二个和第三个是一对纠缠的贝尔态量子比特 (frac{1}{sqrt2}|00 angle + frac{1}{sqrt2}|11 angle) ,将第二个比特放到Alice处,第三个在Bob那里。

    最初三个比特的状态是 (|phi angle=alpha frac{1}{sqrt2}| 000 angle +eta frac{1}{sqrt2}| 100 angle+alpha frac{1}{sqrt2}| 011 angle +eta frac{1}{sqrt2}| 111 angle)

    经过CNOT门,现在的状态 (|phi angle=alpha frac{1}{sqrt2}| 000 angle +eta frac{1}{sqrt2}| 110 angle+alpha frac{1}{sqrt2}| 011 angle +eta frac{1}{sqrt2}| 101 angle)

    (| 0 angle)(| 1 angle)基测量第二个比特:

    如果测量得到的结果是 (|0 angle) ,那么接下来的第一个比特和第三个比特的状态是:(|phi_0 angle=alpha | 00 angle +eta | 11 angle)

    如果测量得到的结果是 (|1 angle) ,那么接下来的第一个比特和第三个比特的状态是:(|phi_1 angle=alpha | 01 angle +eta | 10 angle) ,那么对第三个比特作用一个X门,X门的作用是(| 0 angle)(| 1 angle)互换,在这之后 (|phi_1 angle=alpha | 00 angle +eta | 11 angle) ,和 (|phi_0 angle) 统一

    对第一个量子比特作用H门,然后在(| 0 angle)(| 1 angle)基测量。(事实上,加上H门,然后测量在(| 0 angle)(| 1 angle)基测量得到的结果和直接在 (| + angle)(| - angle) 基测量的效果是一样的)

    H门之后的状态:

    (|phi angle=alpha (frac{1}{sqrt2}|0 angle + frac{1}{sqrt2}|1 angle)| 0 angle +eta (frac{1}{sqrt2}|0 angle - frac{1}{sqrt2}|1 angle)| 1 angle)

    (|phi angle=|0 angle(frac{alpha}{sqrt2}|0 angle+frac{eta}{sqrt2}|1 angle)+|1 angle(frac{alpha}{sqrt2}|0 angle-frac{eta}{sqrt2}|1 angle))

    参考资料
    Quantume Mechanics & Quantume Computation Lecture 5

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