量子計算中的特殊矩陣

作者:
林昱誠(Yu-Cheng Lin)、徐育兆
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# 量子計算中的特殊矩陣 在量子計算中,特殊矩陣扮演著核心角色,用於描述和實現各種量子閘操作。本文將介紹幾種關鍵的特殊矩陣:么正矩陣和厄米矩陣。 ## Unitary Matrices(么正矩陣) 如果一個矩陣 $U$ 滿足以下條件: \begin{gather} U^\dagger U=UU^\dagger=I= \left[ \ \begin{array}{cc} 1\ 0 \\ 0\ 1 \\ \end{array} \ \right] \end{gather} (其中 $\dagger$ 為共軛轉置)我們就會稱這矩陣 $U$ 是 unitary
範例:
量子計算中所有的邏輯閘都可以用矩陣做表示,比方說 Hadmard 閘可以用以下矩陣做表示:
\begin{gather}H = \frac{1}{\sqrt{2}}\begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 1 & -1 \end{pmatrix} \end{gather}
而這矩陣是一種 unitary 矩陣,所以它將滿足
\begin{gather}H^\dagger H=HH^\dagger=I\end{gather}
量子邏輯閘都是 unitary,意味著量子計算具有可逆性
## Hermitian Matrices(厄米矩陣) 如果一個矩陣 $H$ 滿足以下條件: \begin{gather}H^\dagger =H\end{gather} 也就是說矩陣等於其共軛轉置矩陣,矩陣中每一個第i行第j列的元素都與第j行第i列的元素的複數共軛,這時候我們就稱此矩陣為 Hermitian matrices。
範例:
\begin{split}\begin{bmatrix} 1 & 2+3i \\ 2-3i &3 \end{bmatrix}^{\dagger}=\begin{bmatrix} 1 & 2+3i \\ 2-3i &3 \end{bmatrix}\end{split}
Hermitian matrices 在量子計算與量子力學上扮演關鍵角色,這與特徵向量(eigenvector)有關,可以參看後面的文章
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