量子位元 (下):量子糾纏

作者:
林昱誠(Yu-Cheng Lin)
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# 多個量子位元 (下):量子糾纏 在上一節中,我們介紹了如何用數學語言描述多個 qubits 的狀態,並以兩個 qubits 為舉例說明。本節將進一步探討當有多個 qubits 時,可能會出現一種特別的物理現象:量子糾纏(Entanglement)。如果你對這概念還很不熟悉,可以先參考[入門系列](https://www.entangletech.tw/lesson/popular-05)來了解基本概念,接下來我們將說明如何用數學語言來描述糾纏態。 ## Product states 有些量子態可以被拆成多個獨立 qubits 狀態的 tensor product,這樣的狀態我們稱作 produce state。例如: \begin{split} |Q_1Q_2\rangle&=\frac{1}{2}(|00\rangle-|01\rangle+|10\rangle-|11\rangle) \\ &=\underbrace{\frac{1}{\sqrt{2}} (|0\rangle + |1\rangle)}_{|+\rangle} \otimes \underbrace{\frac{1}{\sqrt{2}} (|0\rangle - |1\rangle)}_{|-\rangle} \\ &=|+\rangle \otimes |-\rangle \\ &=|+\rangle |-\rangle \end{split} 這意味著當 qubits 的狀態可以用多個 Bloch sphere 單獨表示時,這量子態我們稱作 product state(或是 simply separable states)。
produce state
上面 Q1Q2 的量子態可以用兩個 Bloch sphere 可視化

你可以動手嘗試分解以下量子態: \begin{split} \frac{1}{2\sqrt{2}}(\sqrt{3}|00\rangle-\sqrt{3}|01\rangle+|10\rangle-|11\rangle) \end{split} 回到 $Q_1Q_2$,如果我們先測量 $Q_1$,無論結果是 $|0\rangle$ 還是 $|1\rangle$,$Q_2$ 的量子態依然保持 $|0\rangle|-\rangle$ 或 $|1\rangle|-\rangle$,測量一個 qubit 並不會影響到另一個 qubit 的狀態,記得這句話,這將與下面要提到的 entangled state 截然不同。 ## Entangled state(糾纏態) 如果一個量子態是無法拆解單獨 qubits 狀態的 tensor product,也就是說無法用多個 Bloch sphere 表示多個 qubits 的狀態,這樣的量子態稱作 Entangled states。比方說 \begin{split} |Q_3Q_4\rangle=|\Phi^+\rangle=\frac{1}{\sqrt{2}}(|00\rangle+|11\rangle) \end{split} 是不是很難用兩個 Bloch sphere 表示這量子態。雖然 Bloch sphere 對於單個 qubit 的量子態圖示化很有幫助,卻無法應用在多個 qubits 上,會遇到許多無法表示的量子態。 假設我們先測量 $Q_3$,無論測量結果是 $|0\rangle$ 還是 $|1\rangle$,$Q_4$ 的狀態都會相應地變成相同的 $|0\rangle$ 或 $|1\rangle$。這意味著測量其中一個 qubit 的狀態會直接影響到另一個 qubit 的狀態,這種狀態就稱之為「糾纏」。 常見的糾纏態有以下四種: \begin{split} |\Phi^+\rangle=\frac{1}{\sqrt{2}}(|00\rangle+|11\rangle) \\ |\Phi^-\rangle=\frac{1}{\sqrt{2}}(|00\rangle-|11\rangle) \\ |\Psi^+\rangle=\frac{1}{\sqrt{2}}(|01\rangle+|10\rangle) \\ |\Psi^-\rangle=\frac{1}{\sqrt{2}}(|01\rangle-|10\rangle) \end{split}
量子糾纏在科普文章和影視作品中常被解釋為:當測量一個 qubit(或自旋,spin)為 0 (或 spin向上),另一個 qubit 就會是 1(或 spin 向下)這種糾纏態對應於上式中的 $|\Psi^+\rangle$(或是 $|\Psi^-\rangle$)
這四種狀態稱之為 Bell state。他們具有最大糾纏態(maximally entangled states),測量其中一個 qubit 的狀態會完全確定另一個 qubit 的狀態。 ### partially entangled states 為了更好地了解 maximally entangled states,我們來看看什麼是「部分糾纏態」(partially entangled states)。假設有個量子態是: \begin{split} |Q_5Q_6\rangle= \frac{\sqrt{3}}{2\sqrt{2}}|00\rangle+ \frac{\sqrt{3}}{2\sqrt{2}}|01\rangle+ \frac{\sqrt{3}}{4}|10\rangle+ \frac{1}{4}|11\rangle \end{split} 首先,你可以嘗試看看,這無法寫成 product state,因此他是糾纏態沒錯。當我們測量 $Q_5$,得到 $|0\rangle$ 的機率為 $\frac{3}{4}$,此時 $Q_6$ 的狀態會變為: \begin{split} |Q_5Q_6\rangle&= \frac{1}{\sqrt{2}}|00\rangle+ \frac{1}{\sqrt{2}}|01\rangle \\ &=|0\rangle \frac{1}{\sqrt{2}}(|0\rangle+|1\rangle) \end{split} 而當 $Q_5$ 測量為 $|1\rangle$,其機率為 $\frac{1}{4}$,此時 $Q_6$ 的狀態會變成: \begin{split} |Q_5Q_6\rangle&= \frac{\sqrt{3}}{2}|10\rangle+ \frac{1}{2}|11\rangle \\ &=|1\rangle (\frac{\sqrt{3}}{2}|0\rangle+\frac{1}{2}|1\rangle) \end{split} 由此可見,測量 $Q_5$ 後的確影響 $Q_6$ 的狀態,一個情況直接變成 $\frac{1}{\sqrt{2}}(|0\rangle+|1\rangle)$,另一個則為 $\frac{\sqrt{3}}{2}|0\rangle+\frac{1}{2}|1\rangle$,但 $Q_6$ 的變化並非完全被確定,仍是一種糾纏台,因此被稱為「部分糾纏」。 ## 總結 這兩節中,我們介紹了如何用數學語言描述多個 qubit 的狀態,以及了解什麼是量子糾纏。接下來,我們將介紹可以同時操作多個 qubits 的 quantum gate。
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