量子隱形傳態1 Quantum Teleportation

夏天喵發表於2019-06-25

量子隱形傳態是量子糾纏的又一個應用。

隱形傳態,所謂隱形的意思就是沒有物質介質就傳遞了資訊,在經典世界,傳遞資訊要有介質,光、電磁波或者其他的什麼,但是在量子的世界裡,我可以把資訊傳遞給你,並且不傳遞任何一個量子位元。

量子不能克隆原理

不能克隆就是說,沒有任何一個U操作,可以輸入\(|\psi\rangle\)\(|0\rangle\) 然後得到輸出 \(|\psi\rangle\)\(|\psi\rangle\)

why?
量子隱形傳態1 Quantum Teleportation
若是真的有這麼一個操作算符,如圖a,可以複製任意的量子位元 \(|u\rangle\) 我們希望的結果如下:

輸入:\((\alpha_0 | 0\rangle +\alpha_1 | 1\rangle)|0\rangle\)

輸出:\((\alpha_0 | 0\rangle +\alpha_1 | 1\rangle)(\alpha_0 | 0\rangle +\alpha_1 | 1\rangle)\)

另一方面

我們希望輸入是\(|00\rangle\)輸出也是\(|00\rangle\),當輸入變成\(|10\rangle\)後,輸出也就變成\(|11\rangle\)

而要以上兩種情況相等,只有一種可能,即\(|u\rangle\)\(|0\rangle\)或者\(|1\rangle\)的時候,但是這樣,也就沒有疊加態的,這樣複製的,也就是一個普通的bit。

Teleportation CNOT

那麼,如果要把一個自己不知道是什麼狀態的 \(|u\rangle=\alpha_0 | 0\rangle +\alpha_1 | 1\rangle\) 傳遞,要怎麼辦呢?

圖b是前面介紹過的CNOT門,有CNOT門,我們很容易就可以把 \(\alpha_0 | 00\rangle +\alpha_1 | 10\rangle\)變成 \(\alpha_0 | 00\rangle +\alpha_1 | 11\rangle\)

此時並沒有被複制,因為第一個位元和第二個位元之間還是糾纏的,也就是說你測量第一個位元,第二個就會坍縮,你測量第二個,第一個也同理,資訊並沒有copy兩份,所以量子不可複製原理沒有被打破。

接下來我們要來處理第一個位元。

如果直接測量第一個位元,很明顯,第二個位元就坍縮了。

但是測量還是要測的,不過不是在 \(| 0\rangle\)\(| 1\rangle\) 基,而是在 \(| +\rangle\)\(| -\rangle\) 基。

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

\(| +\rangle\)\(| -\rangle\) 基對第一個位元測量:
如果測量的結果是 \(|+\rangle\) ,那麼第二位元的狀態就是 \(\alpha_0 | 0\rangle +\alpha_1 | 1\rangle\) ,正好是我們最初想要傳遞的態。

如果測量的結果是 \(|-\rangle\) ,那麼第二位元的狀態就是 \(\alpha_0 | 0\rangle -\alpha_1 | 1\rangle\) ,再經過Z門的翻轉就是我們最初想要傳遞的態了。

參考資料
Quantume Mechanics & Quantume Computation Lecture 5

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