Matrix Cookbook Quantum Computing for Computer Scientists i 2 = โ 1 , i 3 = โ i , i 4 = 1 i^2 = -1, i^3 = -i, i^4 = 1 i 2 = โ 1 , i 3 = โ i , i 4 = 1 can also be represented as ( a , b ) (a, b) ( a , b ) , where a a a is the real part and b b b is the imaginary part commutative ๅฏไบคๆข็: c 1 + c 2 = c 2 + c 1 , c 1 c 2 = c 2 c 1 c_1 + c_2 = c_2 + c_1, c_1c_2 = c_2c_1 c 1 โ + c 2 โ = c 2 โ + c 1 โ , c 1 โ c 2 โ = c 2 โ c 1 โ associative ็ปๅ็: ( c 1 + c 2 ) + c 3 = c 1 + ( c 2 + c 3 ) , ( c 1 c 2 ) c 3 = c 1 ( c 2 c 3 ) (c_1 + c_2) + c_3 = c_1 + (c_2 + c_3), (c_1c_2)c_3 = c_1(c_2c_3) ( c 1 โ + c 2 โ ) + c 3 โ = c 1 โ + ( c 2 โ + c 3 โ ) , ( c 1 โ c 2 โ ) c 3 โ = c 1 โ ( c 2 โ c 3 โ ) distributive ๅ้
็: c 1 ( c 2 + c 3 ) = c 1 c 2 + c 1 c 3 c_1(c_2 + c_3) = c_1c_2 + c_1c_3 c 1 โ ( c 2 โ + c 3 โ ) = c 1 โ c 2 โ + c 1 โ c 3 โ addition: let c 1 = ( a 1 , b 1 ) , c 2 = ( a 2 , b 2 ) c_1 = (a_1, b_1), c_2 = (a_2, b_2) c 1 โ = ( a 1 โ , b 1 โ ) , c 2 โ = ( a 2 โ , b 2 โ ) then c 1 + c 2 = ( a 1 + a 2 , b 1 + b 2 ) c_1 + c_2 = (a_1 + a_2, b_1 + b_2) c 1 โ + c 2 โ = ( a 1 โ + a 2 โ , b 1 โ + b 2 โ ) multiplication: let c 1 = ( a 1 , b 1 ) , c 2 = ( a 2 , b 2 ) c_1 = (a_1, b_1), c_2 = (a_2, b_2) c 1 โ = ( a 1 โ , b 1 โ ) , c 2 โ = ( a 2 โ , b 2 โ ) then c 1 c 2 = ( a 1 a 2 โ b 1 b 2 , a 1 b 2 + a 2 b 1 ) c_1c_2 = (a_1a_2 - b_1b_2, a_1b_2 + a_2b_1) c 1 โ c 2 โ = ( a 1 โ a 2 โ โ b 1 โ b 2 โ , a 1 โ b 2 โ + a 2 โ b 1 โ ) subtraction: c 1 โ c 2 = c 1 + ( โ c 2 ) c_1 - c_2 = c_1 + (-c_2) c 1 โ โ c 2 โ = c 1 โ + ( โ c 2 โ ) division: let ( x , y ) = ( a 1 , b 1 ) ( a 2 , b 2 ) (x,y) = \frac{(a_1, b_1)}{(a_2, b_2)} ( x , y ) = ( a 2 โ , b 2 โ ) ( a 1 โ , b 1 โ ) โ then ( a 1 , b 1 ) = ( a 2 , b 2 ) ( x , y ) (a_1, b_1) = (a_2, b_2)(x, y) ( a 1 โ , b 1 โ ) = ( a 2 โ , b 2 โ ) ( x , y ) a 1 = a 2 x โ b 2 y , b 1 = a 2 y + b 2 x a_1 = a_2x - b_2y, b_1 = a_2y + b_2x a 1 โ = a 2 โ x โ b 2 โ y , b 1 โ = a 2 โ y + b 2 โ x a 1 a 2 + b 1 b 2 = ( a 2 2 + b 2 2 ) x a_1a_2 + b_1b_2 = (a_2^2 + b_2^2)x a 1 โ a 2 โ + b 1 โ b 2 โ = ( a 2 2 โ + b 2 2 โ ) x a 2 b 1 โ a 1 b 2 = ( a 2 2 + b 2 2 ) y a_2b_1 - a_1b_2 = (a_2^2 + b_2^2)y a 2 โ b 1 โ โ a 1 โ b 2 โ = ( a 2 2 โ + b 2 2 โ ) y then x = a 1 a 2 + b 1 b 2 a 2 2 + b 2 2 x = \frac{a_1a_2 + b_1b_2}{a_2^2 + b_2^2} x = a 2 2 โ + b 2 2 โ a 1 โ a 2 โ + b 1 โ b 2 โ โ y = a 2 b 1 โ a 1 b 2 a 2 2 + b 2 2 y = \frac{a_2b_1 - a_1b_2}{a_2^2 + b_2^2} y = a 2 2 โ + b 2 2 โ a 2 โ b 1 โ โ a 1 โ b 2 โ โ modulus: โฃ c โฃ = a 2 + b 2 |c| = \sqrt{a^2 + b^2} โฃ c โฃ = a 2 + b 2 โ algebraically complete: any polynomial equation has a solution in such a field ๆๆ็ไปฃๆฐๆน็จ็่งฃ้ฝๅจ่ฟไธชๅไธญ R R R ๅฎๆฐไธๆฏC C C ๅคๆฐๆฏ conjugate: if c = ( a , b ) c = (a, b) c = ( a , b ) c ห = ( a , โ b ) \bar{c} = (a, -b) c ห = ( a , โ b ) field isopmorphism: a bijective homomorphism between two fields bijection: one-to-one and onto ๅๅฐๅๆปกๅฐ ๆฏไธไธช่พๅ
ฅๅผ้ฝๆๆญฃๅฅฝไธไธช่พๅบๅผไปฅๅๆฏไธไธช่พๅบๅผ้ฝๆๆญฃๅฅฝไธไธช่พๅ
ฅๅผ parallelogram law ๅนณ่กๅ่พนๅฝขๅฎๅพ polar/Catesian representation ๆๅๆ ็ณป ( ฯ , ฮธ ) (\rho, \theta) ( ฯ , ฮธ ) addition: ( V + W ) [ j ] = V [ j ] + W [ j ] (V+W)[j] = V[j] + W[j] ( V + W ) [ j ] = V [ j ] + W [ j ]
let V = [ v 1 v 2 ] , W = [ w 1 w 2 ] V = \begin{bmatrix} v_1 \\ v_2 \end{bmatrix}, W = \begin{bmatrix} w_1 \\ w_2 \end{bmatrix} V = [ v 1 โ v 2 โ โ ] , W = [ w 1 โ w 2 โ โ ] then V + W = [ v 1 + w 1 v 2 + w 2 ] V + W = \begin{bmatrix} v_1 + w_1 \\ v_2 + w_2 \end{bmatrix} V + W = [ v 1 โ + w 1 โ v 2 โ + w 2 โ โ ] commutative: V + W = W + V V + W = W + V V + W = W + V associative: ( V + W ) + X = V + ( W + X ) (V + W) + X = V + (W + X) ( V + W ) + X = V + ( W + X ) inverse: V + ( โ V ) = 0 V + (-V) = 0 V + ( โ V ) = 0
Abelian group ้ฟ่ดๅฐ็พค: addition, inverse, associative, commutative
scalar: an abitrarily complex number
multiply an element by a scalar: ( c โ
V ) [ j ] = c ร V [ j ] (c \cdot V)[j] = c \times V[j] ( c โ
V ) [ j ] = c ร V [ j ]
transpose ่ฝฌ็ฝฎ: V T [ j , k ] = V [ k , j ] V^T[j, k] = V[k, j] V T [ j , k ] = V [ k , j ]
conjugate ๅ
ฑ่ฝญ๏ผๅคๆฐ็ธๅ๏ผๅฎๆฐไธๅ: V โพ [ j ] = V [ j ] โพ \overline{V}[j] = \overline{V[j]} V [ j ] = V [ j ] โ
adjoint/dagger ไผด้๏ผ่ฝฌ็ฝฎ+ๅ
ฑ่ฝญ: V โ [ j , k ] = V [ k , j ] โพ V^\dagger[j, k] = \overline{V[k, j]} V โ [ j , k ] = V [ k , j ] โ
( V โ ) โ = V (V^\dagger)^\dagger = V ( V โ ) โ = V ( c โ
V ) โ = c โพ โ
V โ (c \cdot V)^\dagger = \overline{c} \cdot V^\dagger ( c โ
V ) โ = c โ
V โ matrix multiplication: โ \star โ
( A โ B ) T = B T โ A T (A \star B)^T = B^T \star A^T ( A โ B ) T = B T โ A T A โ B โพ = A โพ โ B โพ \overline{A \star B} = \overline{A} \star \overline{B} A โ B = A โ B ( A โ B ) โ = B โ โ A โ (A \star B)^\dagger = B^\dagger \star A^\dagger ( A โ B ) โ = B โ โ A โ isomorphism ๅๆ๏ผๅๅฐ๏ผๅๅไธไธๅฏนๅบ๏ผ
ๅฏไปฅ่ฎคไธบไธคไธช็ฉบ้ดๆง่ดจ็ธๅ๏ผไป
ๅฝๅไธๅ linear independence ็บฟๆงๆ ๅ
ณ
linear combination: V = c 1 v 1 + c 2 v 2 + โฏ + c n v n V = c_1v_1 + c_2v_2 + \cdots + c_nv_n V = c 1 โ v 1 โ + c 2 โ v 2 โ + โฏ + c n โ v n โ ไธ็ปๅ้็็บฟๆง็ปๅไธ็ญไบ0 0 = c 1 v 1 + c 2 v 2 + โฏ + c n v n 0=c_1v_1 + c_2v_2 + \cdots + c_nv_n 0 = c 1 โ v 1 โ + c 2 โ v 2 โ + โฏ + c n โ v n โ only when c 1 = c 2 = โฏ = c n = 0 c_1 = c_2 = \cdots = c_n = 0 c 1 โ = c 2 โ = โฏ = c n โ = 0 basis: a set of linearly independent vectors that span the space v 1 , v 2 , โฏ โ , v n {v_1, v_2, \cdots, v_n} v 1 โ , v 2 โ , โฏ , v n โ canonical/standard basis: a set of vectors with one 1 and the rest are 0 dimension: the number of vectors in the basis trace: sum of the diagonal elements
T r ( A ) = โ i = 1 n A [ i , i ] Tr(A) = \sum_{i=1}^{n} A[i, i] T r ( A ) = โ i = 1 n โ A [ i , i ] eigenvalue and eigenvector ็นๅพๅผๅ็นๅพๅ้
for a matrix A A A , if A v = ฮป v Av = \lambda v A v = ฮป v , then ฮป \lambda ฮป is the eigenvalue and v v v is the eigenvector symmetric matrix ๅฏน็งฐ็ฉ้ต
hermitian matrix ๅ
ฑ่ฝญ่ฝฌ็ฝฎ็ฉ้ต
invertible matrix ๅฏ้็ฉ้ต
A โ 1 โ A = A โ A โ 1 = I A^{-1} \star A = A \star A^{-1} = I A โ 1 โ A = A โ A โ 1 = I unitary matrix ๅนบๆญฃ็ฉ้ต
A โ โ A = A โ A โ = I A^\dagger \star A = A \star A^\dagger = I A โ โ A = A โ A โ = I tensor product ๅผ ้็งฏ
A โ B = [ a 11 B a 12 B a 21 B a 22 B ] A \otimes B = \begin{bmatrix} a_{11}B & a_{12}B \\ a_{21}B & a_{22}B \end{bmatrix} A โ B = [ a 11 โ B a 21 โ B โ a 12 โ B a 22 โ B โ ] orthogonal:
for two vectors v 1 = ( a 1 , b 1 ) , v 2 = ( a 2 , b 2 ) v_1 = (a_1, b_1), v_2 = (a_2, b_2) v 1 โ = ( a 1 โ , b 1 โ ) , v 2 โ = ( a 2 โ , b 2 โ ) if v 1 โ
v 2 = 0 v_1 \cdot v_2 = 0 v 1 โ โ
v 2 โ = 0 , then v 1 v_1 v 1 โ and v 2 v_2 v 2 โ are orthogonal v 1 โ
v 2 = a 1 a 2 + b 1 b 2 v_1 \cdot v_2 = a_1a_2 + b_1b_2 v 1 โ โ
v 2 โ = a 1 โ a 2 โ + b 1 โ b 2 โ normalised:
v โ
v = 1 v \cdot v = 1 v โ
v = 1 v = v โฃ v โฃ = v v โ
v v = \frac{v}{|v|} = \frac{v}{\sqrt{v \cdot v}} v = โฃ v โฃ v โ = v โ
v โ v โ also called Dirac notation
linear algebra in complex vector space
ket ่กจ็คบ้ๅญๆๅ้๏ผ้ๅธธ็จไบๆ่ฟฐ็ณป็ป็็ถๆ: โฃ v โฉ |v\rangle โฃ v โฉ
bra ่กจ็คบ้ๅญๆๅ้็ๅ
ฑ่ฝญ่ฝฌ็ฝฎ๏ผHermitian ๅ
ฑ่ฝญ๏ผ๏ผ็จไบๅ
็งฏ่ฎก็ฎ: โจ v โฃ \langle v| โจ v โฃ
โฃ 0 โฉ = 0 1 [ 1 0 ] |0 \rangle = \begin{array}{cc} \begin{array}{c} 0 \\ 1 \end{array} \begin{bmatrix} 1 \\ 0 \end{bmatrix} \end{array} โฃ0 โฉ = 0 1 โ [ 1 0 โ ] โ
โฃ 1 โฉ = 0 1 [ 0 1 ] |1\rangle = \begin{array}{cc} \begin{array}{c} 0 \\ 1 \end{array} \begin{bmatrix} 0 \\ 1 \end{bmatrix} \end{array} โฃ1 โฉ = 0 1 โ [ 0 1 โ ] โ
โฃ + โฉ = โฃ 0 โฉ + โฃ 1 โฉ 2 |+\rangle = \frac{|0\rangle + |1\rangle}{\sqrt{2}} โฃ + โฉ = 2 โ โฃ0 โฉ + โฃ1 โฉ โ
โฃ โ โฉ = โฃ 0 โฉ โ โฃ 1 โฉ 2 |-\rangle = \frac{|0\rangle - |1\rangle}{\sqrt{2}} โฃ โ โฉ = 2 โ โฃ0 โฉ โ โฃ1 โฉ โ
โฃ i โฉ = โฃ 0 โฉ + i โฃ 1 โฉ 2 |i\rangle = \frac{|0\rangle + i|1\rangle}{\sqrt{2}} โฃ i โฉ = 2 โ โฃ0 โฉ + i โฃ1 โฉ โ
โฃ โ i โฉ = โฃ 0 โฉ โ i โฃ 1 โฉ 2 |-i\rangle = \frac{|0\rangle - i|1\rangle}{\sqrt{2}} โฃ โ i โฉ = 2 โ โฃ0 โฉ โ i โฃ1 โฉ โ
inner product: โจ 0 โฃ 1 โฉ = 0 \langle 0 | 1 \rangle = 0 โจ 0โฃ1 โฉ = 0
"bracket" also called dot product/scalar product result in a scalar โจ 0 โฃ 1 โฉ = [ 1 0 ] [ 0 1 ] = [ 1 โ 0 0 โ 1 ] = 0 \langle 0 | 1 \rangle = \begin{bmatrix} 1 & 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 0 \\ 1 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 1*0 \\ 0*1 \end{bmatrix} = 0 โจ 0โฃ1 โฉ = [ 1 โ 0 โ ] [ 0 1 โ ] = [ 1 โ 0 0 โ 1 โ ] = 0 outer product: โฃ 0 โฉ โจ 1 โฃ | 0 \rangle\langle 1 | โฃ0 โฉ โจ 1โฃ
result in a matrix โฃ 0 โฉ โจ 1 โฃ = [ 1 0 ] [ 0 1 ] = [ 1 โ 0 1 โ 1 0 โ 0 0 โ 1 ] = [ 0 1 0 0 ] | 0 \rangle\langle 1 | = \begin{bmatrix} 1 \\ 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 0 & 1 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 1*0 & 1*1 \\ 0*0 & 0*1 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 0 & 1 \\ 0 & 0 \end{bmatrix} โฃ0 โฉ โจ 1โฃ = [ 1 0 โ ] [ 0 โ 1 โ ] = [ 1 โ 0 0 โ 0 โ 1 โ 1 0 โ 1 โ ] = [ 0 0 โ 1 0 โ ] โฃ 0 โฉ โจ 0 โฃ = [ 1 0 ] [ 1 0 ] = [ 1 โ 1 1 โ 0 0 โ 1 0 โ 0 ] = [ 1 0 0 0 ] |0 \rangle\langle 0 | = \begin{bmatrix} 1 \\ 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 1 & 0 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 1*1 & 1*0 \\ 0*1 & 0*0 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 0 \end{bmatrix} โฃ0 โฉ โจ 0โฃ = [ 1 0 โ ] [ 1 โ 0 โ ] = [ 1 โ 1 0 โ 1 โ 1 โ 0 0 โ 0 โ ] = [ 1 0 โ 0 0 โ ]
โฃ 1 โฉ โจ 1 โฃ = [ 0 1 ] [ 0 1 ] = [ 0 โ 0 0 โ 1 1 โ 0 1 โ 1 ] = [ 0 0 0 1 ] |1 \rangle\langle 1 | = \begin{bmatrix} 0 \\ 1 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 0 & 1 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 0*0 & 0*1 \\ 1*0 & 1*1 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 0 & 0 \\ 0 & 1 \end{bmatrix} โฃ1 โฉ โจ 1โฃ = [ 0 1 โ ] [ 0 โ 1 โ ] = [ 0 โ 0 1 โ 0 โ 0 โ 1 1 โ 1 โ ] = [ 0 0 โ 0 1 โ ]
e i ฮธ = cos โก ( ฮธ ) + i sin โก ( ฮธ ) e^{i\theta} = \cos(\theta) + i\sin(\theta) e i ฮธ = cos ( ฮธ ) + i sin ( ฮธ )
้ๅญๆฏ็น็ๆ่ฝฌๅฏไปฅ่กจ็คบไธบไธไธชๅ้ๅจๅคๅนณ้ขไธ็ๆ่ฝฌ ๆ่ฝฌๆไฝๅฏไปฅ็จๅนบๆญฃ็ฉ้ต๏ผๅฆ Pauli ็ฉ้ตๅๆ่ฝฌ็ฉ้ต๏ผๆฅ่กจ็คบ ่ฟไบ็ฉ้ตๅฏไปฅ้่ฟๆๆฐๆ ๅฐ๏ผๅฆ e ็ๅนบๆญฃ็ฉ้ตๆฌกๆน๏ผๆฅ็ๆ โฃ ฮจ โฉ + โฃ ฮจ โฒ โฉ = ( c 0 + c 0 โฒ ) โฃ 0 โฉ + ( c 1 + c 1 โฒ ) โฃ 1 โฉ + โฏ + ( c n + c n โฒ ) โฃ n โฉ |\Psi\rangle + |\Psi'\rangle = (c_0 + c_0')|0\rangle + (c_1 + c_1')|1\rangle + \cdots + (c_n + c_n')|n\rangle โฃฮจ โฉ + โฃ ฮจ โฒ โฉ = ( c 0 โ + c 0 โฒ โ ) โฃ0 โฉ + ( c 1 โ + c 1 โฒ โ ) โฃ1 โฉ + โฏ + ( c n โ + c n โฒ โ ) โฃ n โฉ c โฃ ฮจ โฉ = c c 0 โฃ 0 โฉ + c c 1 โฃ 1 โฉ + โฏ + c c n โฃ n โฉ c|\Psi\rangle = cc_0|0\rangle + cc_1|1\rangle + \cdots + cc_n|n\rangle c โฃฮจ โฉ = c c 0 โ โฃ0 โฉ + c c 1 โ โฃ1 โฉ + โฏ + c c n โ โฃ n โฉ ไธบไปไนๅญฆ๏ผ ่งฃๅณ็ปๅ
ธ่ฎก็ฎๆบๆ ๆณ่งฃๅณ็้ฎ้ข ๅฏนไบ้ๅญ็บ ้ๅฏ่ฝๆง็ไน่งไธปไน ่ฟๆฏไปไน๏ผ ๅบไบ้ๅญๅๅญฆ็่ฎก็ฎๆบๅญฆ่ฏด ้ๅญๅๅญฆ๏ผ้ๅญๆทฑๅบฆๅญฆไน ๅ้ๅญๅฏ็ ๅญฆ Physical Qubits: Particles with polarization(photon) ๅ
ๅญ Trapped ions ็ฆปๅญ้ฑ Cold Atoms ๅทๅๅญ Quantum dots ้ๅญ็น Using Defect in Crystals ๆถไฝ็ผบ้ท Superconductors ่ถ
ๅฏผไฝ Major Players IBM, Google, Microsoft D-Wave, uses Quantum annealing to solve optimization problems Model of Quantum Computer Input Quantum Processor on Cloud Prepare a state Apply gates Measure Output: the probability distribution of the measurement Quantum Dynamics ้ๅญๅจๅๅญฆ
ๆถ้ดๆผๅ็ฎ็ฌฆ ่ๅฎ่ฐๆน็จ ๅๅฏ้กฟ้ ๆ็ๆผๅ ้ๅญๆ็ๅ ๅ ้ๅญๆต้ the state โฃ ฮจ โฉ |\Psi\rangle โฃฮจ โฉ is a superposition of basic state
โฃ ฮจ โฉ = c 0 โฃ 0 โฉ + c 1 โฃ 1 โฉ + โฏ + c n โฃ n โฉ |\Psi\rangle = c_0|0\rangle + c_1|1\rangle + \cdots + c_n|n\rangle โฃฮจ โฉ = c 0 โ โฃ0 โฉ + c 1 โ โฃ1 โฉ + โฏ + c n โ โฃ n โฉ being simultaneously in all states detect the state with probability x i = โฃ c i โฃ 2 โ i = 0 n โฃ c i โฃ 2 x_i = \frac{|c_i|^2}{\sum_{i=0}^{n} |c_i|^2} x i โ = โ i = 0 n โ โฃ c i โ โฃ 2 โฃ c i โ โฃ 2 โ when observed, it will collapse to one of the basic states ๆ้ๅๆผๅฐ็จฑ
U U โ = I UU^\dagger = I U U โ = I U โ U = I U^\dagger U = I U โ U = I โฃ ฯ โฉ = U โฃ ฯ โฉ |\psi\rangle = U|\phi\rangle โฃ ฯ โฉ = U โฃ ฯ โฉ โจ ฯ โฃ = โจ ฯ โฃ U โ \langle\psi| = \langle\phi|U^\dagger โจ ฯ โฃ = โจ ฯ โฃ U โ โจ ฯ โฃ ฯ โฉ = โจ ฯ โฃ U โ U โฃ ฯ โฉ \langle\phi|\psi\rangle = \langle\phi|U^\dagger U|\psi\rangle โจ ฯ โฃ ฯ โฉ = โจ ฯ โฃ U โ U โฃ ฯ โฉ ๆจกไธๅ
้ๅญๆ็ๆจก็่กจ็คบ: โจ ฯ โฃ ฯ โฉ \langle\psi|\psi\rangle โจ ฯ โฃ ฯ โฉ โจ ฯ โฃ ฯ โฉ = โจ ฯ โฃ U โ U โฃ ฯ โฉ = โจ ฯ โฃ ฯ โฉ \langle\psi|\psi\rangle = \langle\phi|U^\dagger U|\phi\rangle = \langle\phi|\phi\rangle โจ ฯ โฃ ฯ โฉ = โจ ฯ โฃ U โ U โฃ ฯ โฉ = โจ ฯ โฃ ฯ โฉ โฃ ฯ โฉ |\psi\rangle โฃ ฯ โฉ ๅ โฃ ฯ โฉ |\phi\rangle โฃ ฯ โฉ ็ๆจก็ธ็ญ่ฎพฮฉ \Omega ฮฉ ๆฏไธไธชๅฏ่งๆต้๏ผโฃ ฯ โฉ |\psi\rangle โฃ ฯ โฉ ๆฏไธไธช้ๅญๆใๅฆๆๆต้็็ปๆๆฏ็นๅพๅผฮป \lambda ฮป ๏ผๅๆต้ๅ็้ๅญๆๅฐๅง็ปๆฏๅฏนๅบไบฮป \lambda ฮป ็็นๅพๅ้
superposition ๅ ๅ : โฃ ฯ โฉ โผ ฮฑ โฃ 0 โฉ + ฮฒ โฃ 1 โฉ |\psi\rangle \longmapsto \alpha|0\rangle + \beta|1\rangle โฃ ฯ โฉ โผ ฮฑ โฃ0 โฉ + ฮฒ โฃ1 โฉ
ฮฑ \alpha ฮฑ and ฮฒ \beta ฮฒ are complex amplitudes ๅคๆฏๅน
an arbitrary state can be represented as a linear combination of basis states spin ่ชๆ
prototypical way to implement quantum bits of information, or qubits clockwise/anticlockwise transition amplitude ่ฝฌ็งปๆฏๅน
inner product determine how likely a start state will change to an end state (after measurement) entanglement ็บ ็ผ
connect two qubits using a gate Bell state
้ๅญๆฏ็น้ด็ๅผบ็บ ็ผ ๅ
ณ็ณป โฃ ฮฆ + โฉ = โฃ 00 โฉ + โฃ 11 โฉ 2 |\Phi^+\rangle = \frac{|00\rangle + |11\rangle}{\sqrt{2}} โฃ ฮฆ + โฉ = 2 โ โฃ00 โฉ + โฃ11 โฉ โ ไธคไธช้ๅญๆฏ็น่ฆไน้ฝๅจ็ถๆ โฃ 0 โฉ |0\rangle โฃ0 โฉ ๏ผ่ฆไน้ฝๅจ็ถๆ โฃ 1 โฉ |1\rangle โฃ1 โฉ ๏ผไธ่ฟไธค็งๆ
ๅต็ๆฆ็็ธ็ญ ๆๅคง็บ ็ผ ๆ๏ผไธคไธช้ๅญๆฏ็น็็ถๆไน้ดๆฒกๆ็ธไฝๅทฎ๏ผ้ๅญๆๆ ๆณๅ่งฃๆไธคไธช้ๅญๆ็็ด็งฏ โฃ ฮฆ โ โฉ = โฃ 00 โฉ โ โฃ 11 โฉ 2 |\Phi^-\rangle = \frac{|00\rangle - |11\rangle}{\sqrt{2}} โฃ ฮฆ โ โฉ = 2 โ โฃ00 โฉ โ โฃ11 โฉ โ ไธคไธช้ๅญๆฏ็น็็ถๆไน้ดๅญๅจไธไธช็ธไฝๅทฎ โฃ ฮจ + โฉ = โฃ 01 โฉ + โฃ 10 โฉ 2 |\Psi^+\rangle = \frac{|01\rangle + |10\rangle}{\sqrt{2}} โฃ ฮจ + โฉ = 2 โ โฃ01 โฉ + โฃ10 โฉ โ โฃ ฮจ โ โฉ = โฃ 01 โฉ โ โฃ 10 โฉ 2 |\Psi^-\rangle = \frac{|01\rangle - |10\rangle}{\sqrt{2}} โฃ ฮจ โ โฉ = 2 โ โฃ01 โฉ โ โฃ10 โฉ โ qubit pair: โฃ 0 โฉ โจ โฃ 1 โฉ |0\rangle \bigotimes |1\rangle โฃ0 โฉ โจ โฃ1 โฉ or โฃ 0 โจ 1 โฉ |0 \bigotimes 1\rangle โฃ0 โจ 1 โฉ
00 01 10 11 [ 0 1 0 0 ] \begin{array}{cc} \begin{array}{c} 00 \\ 01 \\ 10 \\ 11\end{array} \begin{bmatrix} 0 \\ 1 \\ 0 \\ 0 \end{bmatrix} \end{array} 00 01 10 11 โ โ 0 1 0 0 โ โ โ classical gates
NOT: filp 0 to 1, 1 to 0 [ 0 1 1 0 ] \begin{bmatrix} 0 & 1 \\ 1 & 0 \end{bmatrix} [ 0 1 โ 1 0 โ ] AND: 1 if both are 1 [ 1 1 1 0 0 0 0 1 ] \begin{bmatrix} 1 & 1 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{bmatrix} [ 1 0 โ 1 0 โ 1 0 โ 0 1 โ ] OR: 1 if either is 1 [ 1 0 0 0 0 1 1 1 ] \begin{bmatrix} 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 1 & 1 \end{bmatrix} [ 1 0 โ 0 1 โ 0 1 โ 0 1 โ ] NAND: 0 if both are 1 NOT โ \star โ AND [ 0 1 1 0 ] [ 1 1 1 0 0 0 0 1 ] = [ 0 0 0 1 1 1 1 0 ] \begin{bmatrix} 0 & 1 \\ 1 & 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 1 & 1 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 0 & 0 & 0 & 1 \\ 1 & 1 & 1 & 0 \end{bmatrix} [ 0 1 โ 1 0 โ ] [ 1 0 โ 1 0 โ 1 0 โ 0 1 โ ] = [ 0 1 โ 0 1 โ 0 1 โ 1 0 โ ] XOR: 1 if either is 1, but not both NOT โ \star โ OR [ 0 1 1 0 ] [ 1 0 0 0 0 1 1 1 ] = [ 0 1 1 1 1 0 0 0 ] \begin{bmatrix} 0 & 1 \\ 1 & 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 1 & 1 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 0 & 1 & 1 & 1 \\ 1 & 0 & 0 & 0 \end{bmatrix} [ 0 1 โ 1 0 โ ] [ 1 0 โ 0 1 โ 0 1 โ 0 1 โ ] = [ 0 1 โ 1 0 โ 1 0 โ 1 0 โ ] Jyฤ, koti-jyฤ and utkrama-jyฤ ๅฐๅบฆ็ไธ่งๅฝๆฐ
bloch sphere ๅธๆด่ตซ็: ็จไบ่กจ็คบ้ๅญๆฏ็น็ถๆ็ๅ ไฝๅพๅฝข
X, Y axis: 0 โค ฮธ โค 2 ฯ 0 \leq \theta \leq 2\pi 0 โค ฮธ โค 2 ฯ Z axis: 0 โค ฯ โค ฯ 2 0 \leq \phi \leq \frac{\pi}{2} 0 โค ฯ โค 2 ฯ โ Pauli X,Y,Z
X = [ 0 1 1 0 ] X = \begin{bmatrix} 0 & 1 \\ 1 & 0 \end{bmatrix} X = [ 0 1 โ 1 0 โ ] ๆฒฟ X ่ฝดๆ่ฝฌ 180 ๅบฆ X is also called NOT gate eigenvalues: 1 and -1 eigenvectors: left โฃ โต โฉ = ฯ x + = โฃ 0 โฉ + โฃ 1 โฉ 2 |\longleftarrow\rangle = \psi_{x+} = \frac{|0\rangle + |1\rangle}{\sqrt{2}} โฃ โต โฉ = ฯ x + โ = 2 โ โฃ0 โฉ + โฃ1 โฉ โ right โฃ โถ โฉ = ฯ x โ = โฃ 0 โฉ โ โฃ 1 โฉ 2 |\longrightarrow\rangle = \psi_{x-} = \frac{|0\rangle - |1\rangle}{\sqrt{2}} โฃ โถ โฉ = ฯ x โ โ = 2 โ โฃ0 โฉ โ โฃ1 โฉ โ Y = [ 0 โ i i 0 ] Y = \begin{bmatrix} 0 & -i \\ i & 0 \end{bmatrix} Y = [ 0 i โ โ i 0 โ ] ๆฒฟ Y ่ฝดๆ่ฝฌ 180 ๅบฆ Y is also called bit-flip gate ไป โฃ 0 โฉ ไป|0\rangle ไป โฃ0 โฉ ่ฝฌๆขไธบโฃ 1 โฉ |1\rangle โฃ1 โฉ ๏ผๆ่
ไปโฃ 1 โฉ |1\rangle โฃ1 โฉ ่ฝฌๆขไธบโฃ 0 โฉ |0\rangle โฃ0 โฉ eigenvalues: 1 and -1 eigenvectors: in โฃ โ โฉ = ฯ y + = โฃ 0 โฉ + i โฃ 1 โฉ 2 |\swarrow\rangle = \psi_{y+} = \frac{|0\rangle + i|1\rangle}{\sqrt{2}} โฃ โ โฉ = ฯ y + โ = 2 โ โฃ0 โฉ + i โฃ1 โฉ โ out โฃ โ โฉ = ฯ y โ = โฃ 0 โฉ โ i โฃ 1 โฉ 2 |\nearrow\rangle = \psi_{y-} = \frac{|0\rangle - i|1\rangle}{\sqrt{2}} โฃ โ โฉ = ฯ y โ โ = 2 โ โฃ0 โฉ โ i โฃ1 โฉ โ Z = [ 1 0 0 โ 1 ] Z = \begin{bmatrix} 1 & 0 \\ 0 & -1 \end{bmatrix} Z = [ 1 0 โ 0 โ 1 โ ] ๆฒฟ Z ่ฝดๆ่ฝฌ 180 ๅบฆ Z is also called phase-flip gate ไปโฃ 1 โฉ |1\rangle โฃ1 โฉ ่ฝฌๆขไธบโ โฃ 1 โฉ -|1\rangle โ โฃ1 โฉ eigenvalues: 1 and -1 eigenvectors: up โฃ โ โฉ = ฯ z + = โฃ 0 โฉ |\uparrow\rangle = \psi_{z+} = |0\rangle โฃ โ โฉ = ฯ z + โ = โฃ0 โฉ down โฃ โ โฉ = ฯ z โ = โฃ 1 โฉ |\downarrow\rangle = \psi_{z-} = |1\rangle โฃ โ โฉ = ฯ z โ โ = โฃ1 โฉ phase shift gate:
R ( ฮธ ) = [ 1 0 0 e ฮธ ] R(\theta) = \begin{bmatrix} 1 & 0 \\ 0 & e^{\theta} \end{bmatrix} R ( ฮธ ) = [ 1 0 โ 0 e ฮธ โ ] R x ( ฮธ ) = [ cos โก ( ฮธ 2 ) โ i sin โก ( ฮธ 2 ) โ i sin โก ( ฮธ 2 ) cos โก ( ฮธ 2 ) ] R_x(\theta) = \begin{bmatrix} \cos(\frac{\theta}{2}) & -i\sin(\frac{\theta}{2}) \\ -i\sin(\frac{\theta}{2}) & \cos(\frac{\theta}{2}) \end{bmatrix} R x โ ( ฮธ ) = [ cos ( 2 ฮธ โ ) โ i sin ( 2 ฮธ โ ) โ โ i sin ( 2 ฮธ โ ) cos ( 2 ฮธ โ ) โ ] R y ( ฮธ ) = [ cos โก ( ฮธ 2 ) โ sin โก ( ฮธ 2 ) sin โก ( ฮธ 2 ) cos โก ( ฮธ 2 ) ] R_y(\theta) = \begin{bmatrix} \cos(\frac{\theta}{2}) & -\sin(\frac{\theta}{2}) \\ \sin(\frac{\theta}{2}) & \cos(\frac{\theta}{2}) \end{bmatrix} R y โ ( ฮธ ) = [ cos ( 2 ฮธ โ ) sin ( 2 ฮธ โ ) โ โ sin ( 2 ฮธ โ ) cos ( 2 ฮธ โ ) โ ] R z ( ฮธ ) = [ e โ i ฮธ 2 0 0 e i ฮธ 2 ] R_z(\theta) = \begin{bmatrix} e^{-i\frac{\theta}{2}} & 0 \\ 0 & e^{i\frac{\theta}{2}} \end{bmatrix} R z โ ( ฮธ ) = [ e โ i 2 ฮธ โ 0 โ 0 e i 2 ฮธ โ โ ] S: ๆทปๅ ไธไธช ฯ 2 \frac{\pi}{2} 2 ฯ โ ็็ธไฝ
S = [ 1 0 0 i ] S = \begin{bmatrix} 1 & 0 \\ 0 & i \end{bmatrix} S = [ 1 0 โ 0 i โ ] T: ๆทปๅ ไธไธช ฯ 4 \frac{\pi}{4} 4 ฯ โ ็็ธไฝ
T = [ 1 0 0 e i ฯ 4 ] T = \begin{bmatrix} 1 & 0 \\ 0 & e^{i\frac{\pi}{4}} \end{bmatrix} T = [ 1 0 โ 0 e i 4 ฯ โ โ ] Hadamard gate
ๅถๅคๅ ๅ ๆ H = 1 2 [ 1 1 1 โ 1 ] H = \frac{1}{\sqrt{2}}\begin{bmatrix} 1 & 1 \\ 1 & -1 \end{bmatrix} H = 2 โ 1 โ [ 1 1 โ 1 โ 1 โ ] CNOT
control qubit, target qubit if control qubit is 1, then target qubit is flipped โฃ 00 โฉ โผ โฃ 00 โฉ |00\rangle \longmapsto |00\rangle โฃ00 โฉ โผ โฃ00 โฉ โฃ 01 โฉ โผ โฃ 01 โฉ |01\rangle \longmapsto |01\rangle โฃ01 โฉ โผ โฃ01 โฉ โฃ 10 โฉ โผ โฃ 11 โฉ |10\rangle \longmapsto |11\rangle โฃ10 โฉ โผ โฃ11 โฉ โฃ 11 โฉ โผ โฃ 10 โฉ |11\rangle \longmapsto |10\rangle โฃ11 โฉ โผ โฃ10 โฉ โฃ ฯ โฉ = ฮฑ โฃ 00 โฉ + ฮฒ โฃ 01 โฉ + ฮณ โฃ 10 โฉ + ฮด โฃ 11 โฉ |\psi\rangle = \alpha|00\rangle + \beta|01\rangle + \gamma|10\rangle + \delta|11\rangle โฃ ฯ โฉ = ฮฑ โฃ00 โฉ + ฮฒ โฃ01 โฉ + ฮณ โฃ10 โฉ + ฮด โฃ11 โฉ C N O T = [ 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 ] CNOT = \begin{bmatrix} 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \\ 0 & 0 & 1 & 0 \end{bmatrix} CNOT = โ 1 0 0 0 โ 0 1 0 0 โ 0 0 0 1 โ 0 0 1 0 โ โ โฃ ฯ โฒ โฉ = C N O T โ
โฃ ฯ โฉ = [ 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 ] [ ฮฑ ย ฮฒ ย ฮณ ย ฮด ] = [ ฮฑ ย ฮฒ ย ฮด ย ฮณ ] |\psi'\rangle = CNOT \cdot |\psi\rangle = \begin{bmatrix} 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \\ 0 & 0 & 1 & 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} \alpha \ \beta \ \gamma \ \delta \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} \alpha \ \beta \ \delta \ \gamma \end{bmatrix} โฃ ฯ โฒ โฉ = CNOT โ
โฃ ฯ โฉ = โ 1 0 0 0 โ 0 1 0 0 โ 0 0 0 1 โ 0 0 1 0 โ โ [ ฮฑ ย ฮฒ ย ฮณ ย ฮด โ ] = [ ฮฑ ย ฮฒ ย ฮด ย ฮณ โ ] โฃ ฯ โฒ โฉ = ฮฑ โฃ 00 โฉ + ฮฒ โฃ 01 โฉ + ฮด โฃ 10 โฉ + ฮณ โฃ 11 โฉ |\psi'\rangle = \alpha|00\rangle + \beta|01\rangle + \delta|10\rangle + \gamma|11\rangle โฃ ฯ โฒ โฉ = ฮฑ โฃ00 โฉ + ฮฒ โฃ01 โฉ + ฮด โฃ10 โฉ + ฮณ โฃ11 โฉ control-U gates
if control qubit is 1, then apply U on target qubit C U = [ I 0 0 U ] ^{C}{U} = \begin{bmatrix} I & 0 \\ 0 & U \end{bmatrix} C U = [ I 0 โ 0 U โ ] Deutch gate:
if both control qubits are 1, then apply a phase shift on target Toffoli gate: 3 qubits, 2 control and 1 target
if both control qubits are 1, then the target qubit is flipped ย 000 ย 001 ย 010 ย 011 ย 100 ย 101 ย 110 ย 111 000 001 010 011 100 101 110 111 [ 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 ] \begin{array}{} \ 000 \ 001 \ 010 \ 011 \ 100 \ 101 \ 110 \ 111 \\ \begin{array}{c} 000 \\ 001 \\ 010 \\ 011 \\ 100 \\ 101 \\ 110 \\ 111 \end{array} \begin{bmatrix} 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 1 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & 0 \end{bmatrix} \end{array} ย 000 ย 001 ย 010 ย 011 ย 100 ย 101 ย 110 ย 111 000 001 010 011 100 101 110 111 โ โ 1 0 0 0 0 0 0 0 โ 0 1 0 0 0 0 0 0 โ 0 0 1 0 0 0 0 0 โ 0 0 0 1 0 0 0 0 โ 0 0 0 0 1 0 0 0 โ 0 0 0 0 0 1 0 0 โ 0 0 0 0 0 0 0 1 โ 0 0 0 0 0 0 1 0 โ โ โ Fredkin gate: 3 qubits, 1 control and 2 target
if the control qubit is 1, then the target qubits are swapped ย 000 ย 001 ย 010 ย 011 ย 100 ย 101 ย 110 ย 111 000 001 010 011 100 101 110 111 [ 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 ] \begin{array}{} \ 000 \ 001 \ 010 \ 011 \ 100 \ 101 \ 110 \ 111 \\ \begin{array}{c} 000 \\ 001 \\ 010 \\ 011 \\ 100 \\ 101 \\ 110 \\ 111 \end{array} \begin{bmatrix} 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 1 \end{bmatrix} \end{array} ย 000 ย 001 ย 010 ย 011 ย 100 ย 101 ย 110 ย 111 000 001 010 011 100 101 110 111 โ โ 1 0 0 0 0 0 0 0 โ 0 1 0 0 0 0 0 0 โ 0 0 1 0 0 0 0 0 โ 0 0 0 1 0 0 0 0 โ 0 0 0 0 1 0 0 0 โ 0 0 0 0 0 0 1 0 โ 0 0 0 0 0 1 0 0 โ 0 0 0 0 0 0 0 1 โ โ โ all Quantum gates are reversible
n Hadamand gates: H โจ n H^{\bigotimes n} H โจ n
โฃ ฯ โฉ = 1 2 n โ i = 0 2 n โ 1 โฃ i โฉ |\psi\rangle = \frac{1}{\sqrt{2^n}}\sum_{i=0}^{2^n-1}|i\rangle โฃ ฯ โฉ = 2 n โ 1 โ โ i = 0 2 n โ 1 โ โฃ i โฉ reversible function execution:
control: โฃ x โฉ |x\rangle โฃ x โฉ --> U f U_f U f โ --> โฃ x โฉ |x\rangle โฃ x โฉ target: โฃ 0 โฉ |0\rangle โฃ0 โฉ --> U f U_f U f โ --> โฃ f ( x ) โฉ |f(x)\rangle โฃ f ( x )โฉ simple circuit
CNOT: dot + CZ: dot dot SWAP: xx unitary: box U no-cloning theorem: cannot copy an arbitrary unknown quantum state
่ฏๆ๏ผๅ่ฎพๅฏไปฅๅคๅถ๏ผ้ฃไนๅฏไปฅ้่ฟไธคไธช็ธๅ็้ๅญๆฏ็น๏ผๅพๅฐไธไธชๆฐ็ๅบๅฎ็้ๅญๆฏ็นใไฝ่ฟๆฏไธๅฏ่ฝ็ teleportation
ๅ
้ๆฏๅจไธ็ ดๅๅๆฌ็้ๅญๆฏ็น็ๆ
ๅตไธๅคๅถไธไธช้ๅญๆฏ็น ไผ ่พๆฏๅฐไธไธช้ๅญๆฏ็น็็ถๆไปไธไธช้ๅญๆฏ็นไผ ่พๅฐๅฆไธไธช้ๅญๆฏ็น๏ผๅๆฌ็้ๅญๆไผ่ขซ็ ดๅ take โฃ ฯ โฉ |\psi\rangle โฃ ฯ โฉ in first system and nothing in second system, then teleport โฃ x โฉ |x\rangle โฃ x โฉ to second system T ( โฃ ฯ โฉ โจ โฃ 0 โฉ ) = โฃ ฯ โฉ โจ โฃ 0 โฉ T(|\psi\rangle \bigotimes |0\rangle) = |\psi\rangle \bigotimes |0\rangle T ( โฃ ฯ โฉ โจ โฃ0 โฉ) = โฃ ฯ โฉ โจ โฃ0 โฉ superdense coding
quantum parallelism: exponential numbers were inputted simultaneously, result was given in next clock, by quantum function
given a quantum representation, only one result can be given, not all solutions
the point is: what algorithm can take advantage of quantum mechanism?
quadratic unconstrained binary optimization ไบๆฌกๆ ็บฆๆไบๅ
ไผๅ quantum mechanics can solve combinatorial optimization problems finding optimal objects that satisfy a certain condition Knapsack problem given a set of items, each with a weight and a value determine the number of each item to include in a collection so that the total weight is less than or equal to a given limit and the total value is as large as possible n items x i x_i x i โ is 1 if the item is included, 0 otherwisev i v_i v i โ is the value of the itemW W W is the maximum weightmaximize โ i = 1 n v i x i \sum_{i=1}^{n} v_i x_i โ i = 1 n โ v i โ x i โ subject to โ i = 1 n w i x i โค W \sum_{i=1}^{n} w_i x_i \leq W โ i = 1 n โ w i โ x i โ โค W max-cut edges have weights find a cut that maximizes the sum of the weights of the edges that are cut minimum vetec cover find the minimum number of vertices that cover all edges simulated annealing ๆจกๆ้็ซ a probabilistic technique for approximating the global optimum of a given function local search (Monte Carlo) find solution from neighbors Metropolis algorithm reproduce annealing process E i E_i E i โ is the energy of state i i i if E i โ E j > 0 E_i - E_j > 0 E i โ โ E j โ > 0 , change current state to state j j j if E i โ E j < 0 E_i - E_j < 0 E i โ โ E j โ < 0 , change current state to state j j j with probability e E i โ E j K b T e^{\frac{E_i - E_j}{K_b T}} e K b โ T E i โ โ E j โ โ quadratic unconstrained binary optimization (QUBO) m i n ย o r ย m a x โ i = 1 n โ j = 1 n q i j x i x j min \ or \ max \sum_{i=1}^{n} \sum_{j=1}^{n} q_{ij} x_i x_j min ย or ย ma x โ i = 1 n โ โ j = 1 n โ q ij โ x i โ x j โ subject to x i โ { 0 , 1 } x_i \in \{0, 1\} x i โ โ { 0 , 1 } Y = X T Q X Y = X^T Q X Y = X T QX Q is symmetric or upper triangular NP problem physical system generates optimal solution map optimization problem to physical system ... cool the system to zero ... obtain the lowest energy state an observable is represented by Hermitian matrix ... its eigenvalues are the measured values ... diagonalize the matrix and eigenvalues are the diagonal elements Adiabatic theorem if a system is in the ground state of a Hamiltonian, and the Hamiltonian is slowly changed, then the system will remain in the ground state quantum approximate optimization algorithm ้ๅญ่ฟไผผไผๅ็ฎๆณ Ask GPT A gpt's explaination of QAOA:
้ๅญ่ฟไผผไผๅ็ฎๆณ๏ผQuantum Approximate Optimization Algorithm๏ผQAOA๏ผๆฏไธ็งๆททๅ้ๅญ็ปๅ
ธ็ฎๆณ๏ผ็จไบ่งฃๅณ็ปๅไผๅ้ฎ้ขใQAOA ็ปๅไบ้ๅญ่ฎก็ฎ็ๅนถ่กๆงๅ็ปๅ
ธไผๅ็็ตๆดปๆง๏ผๆจๅจๆพๅฐ่ฟไผผๆไผ่งฃใไปฅไธๆฏ QAOA ็้ซๅฑๆฌก่งฃ้๏ผ
QAOA ้่ฟๆ้ ไธไธชๅๆฐๅ็้ๅญ็ต่ทฏๆฅ่ฟไผผๆฑ่งฃ็ปๅไผๅ้ฎ้ขใ่ฏฅ็ฎๆณ็ๆ ธๅฟๆๆณๆฏ้่ฟ่ฐๆดๅๆฐ๏ผไฝฟๅพ้ๅญ็ต่ทฏ็ๆ็้ๅญๆๅจๆต้ๅ่ฝๅคๆไพไผๅ้ฎ้ข็่ฟไผผๆไผ่งฃใ
้ฎ้ข่กจ็คบ ๏ผ
ๅฐ็ปๅไผๅ้ฎ้ข่กจ็คบไธบไธไธชไบๆฌกๆ ็บฆๆไบ่ฟๅถไผๅ๏ผQUBO๏ผ้ฎ้ขๆ็ญไปท็ Ising ๆจกๅใ ็ฎๆ ๆฏๆพๅฐไธไธชไบ่ฟๅถๅ้ x \mathbf{x} x ๏ผไฝฟๅพ็ฎๆ ๅฝๆฐ C ( x ) C(\mathbf{x}) C ( x ) ๆๅฐๅใ ๅๅง้ๅญๆ ๏ผ
ๅๅคไธไธชๅๅง้ๅญๆ๏ผ้ๅธธๆฏๆๆ้ๅญๆฏ็น็ๅๅๅ ๅ ๆ โฃ + โฉ โ n |+\rangle^{\otimes n} โฃ + โฉ โ n ๏ผๅ
ถไธญ n n n ๆฏ้ฎ้ข็ๅ้ๆฐใ ๅๆฐๅ้ๅญ็ต่ทฏ ๏ผ
ๆ้ ไธไธชๅๆฐๅ็้ๅญ็ต่ทฏ๏ผ่ฏฅ็ต่ทฏ็ฑไธคไธชไบคๆฟๅบ็จ็ๅๅ
็ปๆ๏ผ ๆๆฌๅๅฏ้กฟ้ๆผๅ ๏ผๅบ็จไธ็ฎๆ ๅฝๆฐ C ( x ) C(\mathbf{x}) C ( x ) ๅฏนๅบ็ๆๆฌๅๅฏ้กฟ้ H C H_C H C โ ใๆททๅๅๅฏ้กฟ้ๆผๅ ๏ผๅบ็จๆททๅๅๅฏ้กฟ้ H M H_M H M โ ๏ผ้ๅธธๆฏๆๆ้ๅญๆฏ็นไธ็ Pauli-X ้จ็ๅใ ่ฟไบๅๅ
ไบคๆฟๅบ็จ p p p ๆฌก๏ผๅฝขๆไธไธชๆทฑๅบฆไธบ p p p ็้ๅญ็ต่ทฏใๆฏไธชๅๅ
็ๆผๅๆถ้ด็ฑๅๆฐ ฮณ i \gamma_i ฮณ i โ ๅ ฮฒ i \beta_i ฮฒ i โ ๆงๅถใ ้ๅญๆๆผๅ ๏ผ
ๅๅง้ๅญๆ้่ฟๅๆฐๅ้ๅญ็ต่ทฏๆผๅ๏ผ็ๆไธไธชๆฐ็้ๅญๆ๏ผโฃ ฯ ( ฮณ , ฮฒ ) โฉ = U M ( ฮฒ p ) U C ( ฮณ p ) โฏ U M ( ฮฒ 1 ) U C ( ฮณ 1 ) โฃ + โฉ โ n |\psi(\gamma, \beta)\rangle = U_M(\beta_p) U_C(\gamma_p) \cdots U_M(\beta_1) U_C(\gamma_1) |+\rangle^{\otimes n} โฃ ฯ ( ฮณ , ฮฒ )โฉ = U M โ ( ฮฒ p โ ) U C โ ( ฮณ p โ ) โฏ U M โ ( ฮฒ 1 โ ) U C โ ( ฮณ 1 โ ) โฃ + โฉ โ n
ๅ
ถไธญ U C ( ฮณ i ) = e โ i ฮณ i H C U_C(\gamma_i) = e^{-i \gamma_i H_C} U C โ ( ฮณ i โ ) = e โ i ฮณ i โ H C โ ๅ U M ( ฮฒ i ) = e โ i ฮฒ i H M U_M(\beta_i) = e^{-i \beta_i H_M} U M โ ( ฮฒ i โ ) = e โ i ฮฒ i โ H M โ ใ ๆต้ๅไผๅ ๏ผ
ๅฏนๆผๅๅ็้ๅญๆ่ฟ่กๆต้๏ผๅพๅฐไธไธชไบ่ฟๅถๅ้ x \mathbf{x} x ใ ่ฎก็ฎ็ฎๆ ๅฝๆฐ C ( x ) C(\mathbf{x}) C ( x ) ็ๅผใ ไฝฟ็จ็ปๅ
ธไผๅ็ฎๆณ่ฐๆดๅๆฐ ฮณ \gamma ฮณ ๅ ฮฒ \beta ฮฒ ๏ผไปฅๆๅฐๅ็ฎๆ ๅฝๆฐ็ๆๆๅผ โจ ฯ ( ฮณ , ฮฒ ) โฃ H C โฃ ฯ ( ฮณ , ฮฒ ) โฉ \langle \psi(\gamma, \beta) | H_C | \psi(\gamma, \beta) \rangle โจ ฯ ( ฮณ , ฮฒ ) โฃ H C โ โฃ ฯ ( ฮณ , ฮฒ )โฉ ใ ่ฟญไปฃ ๏ผ
้ๅค้ๅญๆๆผๅใๆต้ๅๅๆฐไผๅ็่ฟ็จ๏ผ็ดๅฐๆพๅฐ่ฟไผผๆไผ่งฃใ ๅนถ่กๆง ๏ผๅฉ็จ้ๅญ่ฎก็ฎ็ๅนถ่กๆง๏ผๅฏไปฅๅๆถๆข็ดขๅคไธช่งฃ็ฉบ้ดใ็ตๆดปๆง ๏ผ้่ฟ่ฐๆดๅๆฐ๏ผๅฏไปฅ้ๅบไธๅ็ไผๅ้ฎ้ขใ่ฟไผผๆไผ่งฃ ๏ผๅณไฝฟๅจ้ๅญ่ฎก็ฎ่ตๆบๆ้็ๆ
ๅตไธ๏ผQAOA ไน่ฝๆพๅฐ้ซ่ดจ้็่ฟไผผ่งฃใQAOA ๅฏไปฅๅบ็จไบๅ็ง็ปๅไผๅ้ฎ้ข๏ผๅ
ๆฌไฝไธ้ไบ๏ผ
ๆๅคงๅฒ้ฎ้ข๏ผMax-Cut๏ผ ๆ
่กๅ้ฎ้ข๏ผTSP๏ผ ๅพ็่ฒ้ฎ้ข ้ๅ่ฆ็้ฎ้ข ่ตๆบๅ้
้ฎ้ข Alice and Bob agree in advance a set with two different basis, say the z-basis or the x-basis Alice sends encoded qubits to Bob using random basis each time Bob measures these qubits using random basis A qubit sent and received correctly if the basis match. They use this fact to arrive at common correctly received bits But how do they discover correct matching? They can announce the basis after the process, they determine which positions of the key has same basis. How do they know Eve has not read? They can compare on a subset of qubits, if their recovered bits are same in all bits in the subset then can conclude that Eve was not there. They can use the rest of bits as a shared key. DFT (Discrete Fourier Transform) map vectors from time domain to frequency domain periodic function story of cryptography
operators: โ \oplus โ , โ \otimes โ
x โ n y = ( x + y ) m o d โ โ n x \oplus_n y = (x + y) \mod n x โ n โ y = ( x + y ) mod n x โ n y = ( x y ) m o d โ โ n x \otimes_n y = (xy) \mod n x โ n โ y = ( x y ) mod n modular inverse
if x โ n y = 1 x \otimes_n y = 1 x โ n โ y = 1 , then y y y is the modular inverse of x x x y y y usually denoted as x โ 1 x^{-1} x โ 1 Euler's totient function / Euler's phi function
a,b are relatively prime if gcd โก ( a , b ) = 1 \gcd(a, b) = 1 g cd( a , b ) = 1 ฯ ( n ) \phi(n) ฯ ( n ) is the number of positive integers less than n that are relatively prime to nreduced set of residues is a set that contains all numbers less than n that are relatively prime to n ฯ ( p ) = p โ 1 \phi(p) = p - 1 ฯ ( p ) = p โ 1 , where p is a prime numberฯ ( p q ) = ( p โ 1 ) ( q โ 1 ) \phi(pq) = (p - 1)(q - 1) ฯ ( pq ) = ( p โ 1 ) ( q โ 1 ) , where p and q are prime numbersRSA PKC
Ron Rivest, Adi Shamir, Leonard Adleman public key cryptography utilize modular exponentiation parameter set K = ( n , p , q , e , d ) K = (n, p, q, e, d) K = ( n , p , q , e , d ) n = p q n = pq n = pq , where p p p and q q q are large prime numberse โ ( 1 , ฯ ( n ) ) e \in (1, \phi(n)) e โ ( 1 , ฯ ( n )) is a random numbere d โก 1 m o d โ โ ฯ ( n ) ed \equiv 1 \mod \phi(n) e d โก 1 mod ฯ ( n ) , where ฯ ( n ) \phi(n) ฯ ( n ) called Euler's totient functionโก \equiv โก ๅไฝ๏ผๅจๆจกไธ็ธ็ญpublic: ( n , e ) (n, e) ( n , e ) Alice: E k ( x ) = x e m o d โ โ n E_k(x) = x^e \mod n E k โ ( x ) = x e mod n Bob: D k ( y ) = y d m o d โ โ n D_k(y) = y^d \mod n D k โ ( y ) = y d mod n ( x e ) d m o d โ โ n = x (x^e)^d \mod n = x ( x e ) d mod n = x ่ฏๆๅฆๆ e d โก 1 m o d โ โ ฯ ( n ) ed \equiv 1 \mod \phi(n) e d โก 1 mod ฯ ( n ) ๏ผๅx e d m o d โ โ n = x x^{ed} \mod n = x x e d mod n = x e d = k ฯ ( n ) + 1 ed = k\phi(n) + 1 e d = k ฯ ( n ) + 1 ่ดน้ฉฌๅฐๅฎ็/ๆฌงๆๅฎ็: ๅฆๆx,nไบ่ดจ๏ผๅx ฯ ( n ) โก 1 m o d โ โ n x^{\phi(n)} \equiv 1 \mod n x ฯ ( n ) โก 1 mod n ่ฏๆ1: โ i = 1 p โ 1 A i โก โ i = 1 p โ 1 a A i m o d โ โ p \prod_{i=1}^{p-1} A_i \equiv \prod_{i=1}^{p-1} aA_i \mod p โ i = 1 p โ 1 โ A i โ โก โ i = 1 p โ 1 โ a A i โ mod p , ๅฝpๆฏ่ดจๆฐ๏ผaไธๆฏp็ๅๆฐๆถๆ็ซใๅ ไธบไธค่พน็p-1ไธชๆฐ้้ฝๆp-1็งๅฏ่ฝ็ไฝๆฐ๏ผไธค่พนๅฎ้
็ญไปท็ ่ฏๆ2: a p โ 1 = ( 1 + a โ 1 ) p โ 1 a^{p-1} = (1 + a - 1)^{p-1} a p โ 1 = ( 1 + a โ 1 ) p โ 1 ๏ผๅฑๅผๅ๏ผ้คไบ็ฌฌไธ้กน๏ผๅ
ถไป้กน้ฝๆฏp p p ็ๅๆฐ๏ผๆไปฅ็ญไบ1 period of modular exponentiation
f ( x ) = a x m o d โ โ N f(x) = a^x \mod N f ( x ) = a x mod N f ( x ) = f ( x + r ) f(x) = f(x + r) f ( x ) = f ( x + r ) f ( x ) = f ( x + r ) = f ( x + 2 r ) = โฏ = f ( x + k r ) f(x) = f(x + r) = f(x + 2r) = \cdots = f(x + kr) f ( x ) = f ( x + r ) = f ( x + 2 r ) = โฏ = f ( x + k r ) example: f 2 , 15 = 2 x m o d โ โ 15 f_{2,15} = 2^x \mod 15 f 2 , 15 โ = 2 x mod 15 bit needed to represent N N N
n โฅ log โก 2 N n \geq \log_2 N n โฅ log 2 โ N in binarybecause 2 n โฅ N 2^n \geq N 2 n โฅ N Shor's algorithm
use quantum circuit to find period of big N let 0 m 0_m 0 m โ , 0 n 0_n 0 n โ be the input strings, where m = 2 n m = 2n m = 2 n and n = log โก 2 N n = \log_2 N n = log 2 โ N input: โฃ ฯ 0 โฉ = โฃ 0 m 0 n โฉ |\psi_0\rangle = |0_m0_n\rangle โฃ ฯ 0 โ โฉ = โฃ 0 m โ 0 n โ โฉ pass through m Hadamard gates H โจ m H^{\bigotimes m} H โจ m : โฃ ฯ 1 โฉ = 1 2 m โ x โ [ 0 , 1 ] m โฃ x , 0 n โฉ |\psi_1\rangle = \frac{1}{\sqrt{2^m}}\sum_{x \in [0,1]^m}|x, 0_n\rangle โฃ ฯ 1 โ โฉ = 2 m โ 1 โ โ x โ [ 0 , 1 ] m โ โฃ x , 0 n โ โฉ pass through unitary operator U f U_f U f โ : โฃ ฯ 2 โฉ = 1 2 m โ x โ [ 0 , 1 ] m โฃ x , f a , N ( x ) โฉ |\psi_2\rangle = \frac{1}{\sqrt{2^m}}\sum_{x \in [0,1]^m}|x, f_{a, N}(x)\rangle โฃ ฯ 2 โ โฉ = 2 m โ 1 โ โ x โ [ 0 , 1 ] m โ โฃ x , f a , N โ ( x )โฉ the bottom n qubits store the superposition of many states a x m o d โ โ N a^x \mod N a x mod N , measure and collapse: โฃ ฯ 3 โฉ = 1 โ 2 m r โ โ a x โก a x ห m o d โ โ N โฃ x , a x ห m o d โ โ N โฉ |\psi_3\rangle = \frac{1}{\lfloor \frac{2^m}{r} \rfloor}\sum_{a^x \equiv a^{\bar{x}} \mod N}|x, a^{\bar{x}} \mod N\rangle โฃ ฯ 3 โ โฉ = โ r 2 m โ โ 1 โ โ a x โก a x ห mod N โ โฃ x , a x ห mod N โฉ apply quantum Fourier transform (QFT) on the top m qubits to generate answer: r ...