Mermin Quantum Computer: Making general 2-bit Quantum State
1. 1bit Q state는 유니터리 오퍼레이터 하나면 충분하다.
구문 분석 실패 (MathML을 사용하되 미지원 시 SVG나 PNG 사용 (최신 브라우저나 접근성 도구에 권장): "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/" 서버에서 잘못된 응답 ('Math extension cannot connect to Restbase.'):): {\displaystyle \begin{pmatrix} a & b \\ c & d \end{pmatrix} }
이것의 inverse matrix는
구문 분석 실패 (MathML을 사용하되 미지원 시 SVG나 PNG 사용 (최신 브라우저나 접근성 도구에 권장): "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/" 서버에서 잘못된 응답 ('Math extension cannot connect to Restbase.'):): {\displaystyle \begin{pmatrix} d & -c \\ -b & a \end{pmatrix} }
이다. 따라서 유니터리는 구문 분석 실패 (MathML을 사용하되 미지원 시 SVG나 PNG 사용 (최신 브라우저나 접근성 도구에 권장): "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/" 서버에서 잘못된 응답 ('Math extension cannot connect to Restbase.'):): {\displaystyle U^{-1} = U^{\dagger} }
구문 분석 실패 (MathML을 사용하되 미지원 시 SVG나 PNG 사용 (최신 브라우저나 접근성 도구에 권장): "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/" 서버에서 잘못된 응답 ('Math extension cannot connect to Restbase.'):): {\displaystyle \begin{pmatrix} a^* & b^* \\ c^* & d^* \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} d & -c \\ -b & a \end{pmatrix} }
구문 분석 실패 (MathML을 사용하되 미지원 시 SVG나 PNG 사용 (최신 브라우저나 접근성 도구에 권장): "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/" 서버에서 잘못된 응답 ('Math extension cannot connect to Restbase.'):): {\displaystyle d = a^* } , 구문 분석 실패 (MathML을 사용하되 미지원 시 SVG나 PNG 사용 (최신 브라우저나 접근성 도구에 권장): "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/" 서버에서 잘못된 응답 ('Math extension cannot connect to Restbase.'):): {\displaystyle c = -b^* }
구문 분석 실패 (MathML을 사용하되 미지원 시 SVG나 PNG 사용 (최신 브라우저나 접근성 도구에 권장): "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/" 서버에서 잘못된 응답 ('Math extension cannot connect to Restbase.'):): {\displaystyle U = \begin{pmatrix} a & b \\ -b^* & a^* \end{pmatrix} }
Determinant of U should be 1.
구문 분석 실패 (MathML을 사용하되 미지원 시 SVG나 PNG 사용 (최신 브라우저나 접근성 도구에 권장): "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/" 서버에서 잘못된 응답 ('Math extension cannot connect to Restbase.'):): {\displaystyle |a|^2 + |b|^2 =1 }
구문 분석 실패 (MathML을 사용하되 미지원 시 SVG나 PNG 사용 (최신 브라우저나 접근성 도구에 권장): "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/" 서버에서 잘못된 응답 ('Math extension cannot connect to Restbase.'):): {\displaystyle a = \cos \theta e^{i\chi} }
구문 분석 실패 (MathML을 사용하되 미지원 시 SVG나 PNG 사용 (최신 브라우저나 접근성 도구에 권장): "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/" 서버에서 잘못된 응답 ('Math extension cannot connect to Restbase.'):): {\displaystyle b= \sin \theta e^{i\psi} }
Mermin책에서는 a를 a로 b를 -b*로 놓아서
구문 분석 실패 (MathML을 사용하되 미지원 시 SVG나 PNG 사용 (최신 브라우저나 접근성 도구에 권장): "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/" 서버에서 잘못된 응답 ('Math extension cannot connect to Restbase.'):): {\displaystyle U = \begin{pmatrix} a & -b^* \\ b & a^* \end{pmatrix} }
이고
구문 분석 실패 (MathML을 사용하되 미지원 시 SVG나 PNG 사용 (최신 브라우저나 접근성 도구에 권장): "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/" 서버에서 잘못된 응답 ('Math extension cannot connect to Restbase.'):): {\displaystyle u |0 \rangle = a | 0 \rangle + b | 1 \rangle } 이고
구문 분석 실패 (MathML을 사용하되 미지원 시 SVG나 PNG 사용 (최신 브라우저나 접근성 도구에 권장): "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/" 서버에서 잘못된 응답 ('Math extension cannot connect to Restbase.'):): {\displaystyle u |1 \rangle = -b^* |0 \rangle + a^* |1 \rangle }
2. 2-bit Quantum state
우리는 이미, 일반적인 two-bit quantum state는 두 개의 1-bit state의 direct product로는 만들 수 없다는
사실을 알고 있다.
따라서
구문 분석 실패 (MathML을 사용하되 미지원 시 SVG나 PNG 사용 (최신 브라우저나 접근성 도구에 권장): "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/" 서버에서 잘못된 응답 ('Math extension cannot connect to Restbase.'):): {\displaystyle | \Psi \rangle = \alpha_{00} | 00 \rangle + \alpha_{01} | 01 \rangle + \alpha_{10} | 10 \rangle + \alpha_{11} | 11 \rangle }
는
구문 분석 실패 (MathML을 사용하되 미지원 시 SVG나 PNG 사용 (최신 브라우저나 접근성 도구에 권장): "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/" 서버에서 잘못된 응답 ('Math extension cannot connect to Restbase.'):): {\displaystyle | \Psi \rangle = | \psi \rangle \otimes | \phi \rangle }
가 될 수 없다.
이 과정에 대해서 Mermin선생님은 뭔가 설명을 하시는데 금방 이해하기가 힘들다.
먼저 구문 분석 실패 (MathML을 사용하되 미지원 시 SVG나 PNG 사용 (최신 브라우저나 접근성 도구에 권장): "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/" 서버에서 잘못된 응답 ('Math extension cannot connect to Restbase.'):): {\displaystyle u } 는 정의했으므로
구문 분석 실패 (MathML을 사용하되 미지원 시 SVG나 PNG 사용 (최신 브라우저나 접근성 도구에 권장): "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/" 서버에서 잘못된 응답 ('Math extension cannot connect to Restbase.'):): {\displaystyle | \Psi \rangle = |0 \rangle \otimes | \psi \rangle + |1 \rangle \otimes | \phi \rangle } 는 가능하다.
구문 분석 실패 (MathML을 사용하되 미지원 시 SVG나 PNG 사용 (최신 브라우저나 접근성 도구에 권장): "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/" 서버에서 잘못된 응답 ('Math extension cannot connect to Restbase.'):): {\displaystyle | \psi \rangle = \alpha_{00} | 0 \rangle + \alpha_{01} | 1 \rangle } 일 것이고,
구문 분석 실패 (MathML을 사용하되 미지원 시 SVG나 PNG 사용 (최신 브라우저나 접근성 도구에 권장): "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/" 서버에서 잘못된 응답 ('Math extension cannot connect to Restbase.'):): {\displaystyle | \phi \rangle = \alpha_{10} | 0 \rangle + \alpha_{11} | 1 \rangle }
구문 분석 실패 (MathML을 사용하되 미지원 시 SVG나 PNG 사용 (최신 브라우저나 접근성 도구에 권장): "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/" 서버에서 잘못된 응답 ('Math extension cannot connect to Restbase.'):): {\displaystyle {\bf u } \otimes {\bf 1} | \Psi \rangle }
를 생각해 보자.
구문 분석 실패 (MathML을 사용하되 미지원 시 SVG나 PNG 사용 (최신 브라우저나 접근성 도구에 권장): "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/" 서버에서 잘못된 응답 ('Math extension cannot connect to Restbase.'):): {\displaystyle {\bf u } | 0 \rangle \otimes | \psi \rangle + {\bf u} | 1 \rangle \otimes | \phi \rangle }
u의 규칙에 따라서
구문 분석 실패 (MathML을 사용하되 미지원 시 SVG나 PNG 사용 (최신 브라우저나 접근성 도구에 권장): "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/" 서버에서 잘못된 응답 ('Math extension cannot connect to Restbase.'):): {\displaystyle (a | 0 \rangle + b |1 \rangle ) \otimes | \psi \rangle + ( -b^* | 0 \rangle + a^* |1 \rangle ) \otimes | \phi \rangle }
구문 분석 실패 (MathML을 사용하되 미지원 시 SVG나 PNG 사용 (최신 브라우저나 접근성 도구에 권장): "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/" 서버에서 잘못된 응답 ('Math extension cannot connect to Restbase.'):): {\displaystyle {\bf u } \otimes {\bf 1} | \Psi \rangle = |0 \rangle | \psi' \rangle + |1 \rangle | \phi' \rangle }
구문 분석 실패 (MathML을 사용하되 미지원 시 SVG나 PNG 사용 (최신 브라우저나 접근성 도구에 권장): "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/" 서버에서 잘못된 응답 ('Math extension cannot connect to Restbase.'):): {\displaystyle | \psi' \rangle = a | \psi \rangle - b^* | \phi \rangle }
구문 분석 실패 (MathML을 사용하되 미지원 시 SVG나 PNG 사용 (최신 브라우저나 접근성 도구에 권장): "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/" 서버에서 잘못된 응답 ('Math extension cannot connect to Restbase.'):): {\displaystyle | \phi' \rangle = b | \psi \rangle + a^* | \phi \rangle }
U를 첫번째 bit에 operation을 했는데, 나온 상태는 두번째 bit을 바꾼 것으로 이해할 수 있다.
그런데, 그 다음 설명이 좀 이상한데, 구문 분석 실패 (MathML을 사용하되 미지원 시 SVG나 PNG 사용 (최신 브라우저나 접근성 도구에 권장): "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/" 서버에서 잘못된 응답 ('Math extension cannot connect to Restbase.'):): {\displaystyle | \phi' \rangle } 와 구문 분석 실패 (MathML을 사용하되 미지원 시 SVG나 PNG 사용 (최신 브라우저나 접근성 도구에 권장): "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/" 서버에서 잘못된 응답 ('Math extension cannot connect to Restbase.'):): {\displaystyle | \psi' \rangle } 을 수직으로 잡을 수 있느냐의 문제를 논한다.
그전에 unprimed된 상태가 이미 수직이었으면, U를 작용시킬 필요도 없다는 설명도 있다. 그래서 구문 분석 실패 (MathML을 사용하되 미지원 시 SVG나 PNG 사용 (최신 브라우저나 접근성 도구에 권장): "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/" 서버에서 잘못된 응답 ('Math extension cannot connect to Restbase.'):): {\displaystyle u=1 } 이라는 말도 나온다. (조심해서 해석해야 한다.)
어쨌든, a, b를 잘 잡으면 primed된 상태들을 수직으로 만들 수 있다.
그 다음에 크기를 1로 만드는 factor를 lambda, mu라고 하면
double primed state는 primed state를 lambda, mu로 나누어서 크기를 1로 만들 수 있을 것이다.
double primed state들이 orthornormal하므로
구문 분석 실패 (MathML을 사용하되 미지원 시 SVG나 PNG 사용 (최신 브라우저나 접근성 도구에 권장): "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/" 서버에서 잘못된 응답 ('Math extension cannot connect to Restbase.'):): {\displaystyle | \psi'' \rangle = { \bf v } | 0 \rangle = \frac{1}{\lambda} | \psi' \rangle }
구문 분석 실패 (MathML을 사용하되 미지원 시 SVG나 PNG 사용 (최신 브라우저나 접근성 도구에 권장): "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/" 서버에서 잘못된 응답 ('Math extension cannot connect to Restbase.'):): {\displaystyle | \phi'' \rangle = { \bf v } | 1 \rangle = \frac{1}{\mu} | \phi' \rangle }
인 유니터리 v를 잡을 수 있다.
따라서
구문 분석 실패 (MathML을 사용하되 미지원 시 SVG나 PNG 사용 (최신 브라우저나 접근성 도구에 권장): "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/" 서버에서 잘못된 응답 ('Math extension cannot connect to Restbase.'):): {\displaystyle {\bf u } \otimes {\bf 1} | \Psi \rangle = |0 \rangle | \psi' \rangle + |1 \rangle | \phi' \rangle = | 0 \rangle \lambda {\bf v} |0 \rangle + | 1 \rangle \mu {\bf v} | 1 \rangle }
구문 분석 실패 (MathML을 사용하되 미지원 시 SVG나 PNG 사용 (최신 브라우저나 접근성 도구에 권장): "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/" 서버에서 잘못된 응답 ('Math extension cannot connect to Restbase.'):): {\displaystyle {\bf u } \otimes {\bf 1} | \Psi \rangle = {\bf 1} \otimes {\bf v} ( \lambda |0 \rangle | 0 \rangle + \mu |1 \rangle | 1 \rangle ) }
양변에 구문 분석 실패 (MathML을 사용하되 미지원 시 SVG나 PNG 사용 (최신 브라우저나 접근성 도구에 권장): "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/" 서버에서 잘못된 응답 ('Math extension cannot connect to Restbase.'):): {\displaystyle {\bf u^\dagger} \otimes {\bf 1 } } 를 곱하면
구문 분석 실패 (MathML을 사용하되 미지원 시 SVG나 PNG 사용 (최신 브라우저나 접근성 도구에 권장): "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/" 서버에서 잘못된 응답 ('Math extension cannot connect to Restbase.'):): {\displaystyle | \Psi \rangle = ( {\bf u^\dagger} \otimes {\bf v} ) ( \lambda |0 \rangle | 0 \rangle + \mu |1 \rangle | 1 \rangle ) }
가 되고 마지막 비트의 1값을 0으로 바꾸면 두번째 비트를 뒤로 뽑을 수 있다. 그렇게 하기 위해서는 CNot op. 가 필요하다.
구문 분석 실패 (MathML을 사용하되 미지원 시 SVG나 PNG 사용 (최신 브라우저나 접근성 도구에 권장): "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/" 서버에서 잘못된 응답 ('Math extension cannot connect to Restbase.'):): {\displaystyle | \Psi \rangle = ( {\bf u^\dagger} \otimes {\bf v} ) C_{10} ( \lambda |0 \rangle | 0 \rangle + \mu |1 \rangle | 0 \rangle ) = ( {\bf u^\dagger} \otimes {\bf v} ) C_{10} ( \lambda |0 \rangle + \mu |1 \rangle ) |0 \rangle ) }
구문 분석 실패 (MathML을 사용하되 미지원 시 SVG나 PNG 사용 (최신 브라우저나 접근성 도구에 권장): "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/" 서버에서 잘못된 응답 ('Math extension cannot connect to Restbase.'):): {\displaystyle {\bf u^\dagger} \otimes {\bf v} }
구문 분석 실패 (MathML을 사용하되 미지원 시 SVG나 PNG 사용 (최신 브라우저나 접근성 도구에 권장): "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/" 서버에서 잘못된 응답 ('Math extension cannot connect to Restbase.'):): {\displaystyle C_{10} } 는 모두 unitary, 구문 분석 실패 (MathML을 사용하되 미지원 시 SVG나 PNG 사용 (최신 브라우저나 접근성 도구에 권장): "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/" 서버에서 잘못된 응답 ('Math extension cannot connect to Restbase.'):): {\displaystyle | \Psi \rangle } 의 크기는 1이므로 구문 분석 실패 (MathML을 사용하되 미지원 시 SVG나 PNG 사용 (최신 브라우저나 접근성 도구에 권장): "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/" 서버에서 잘못된 응답 ('Math extension cannot connect to Restbase.'):): {\displaystyle ( \lambda |0 \rangle + \mu |1 \rangle ) } 의 크기도 1이이야 한다. (유니터리는 크기 보존)
따라서
구문 분석 실패 (MathML을 사용하되 미지원 시 SVG나 PNG 사용 (최신 브라우저나 접근성 도구에 권장): "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/" 서버에서 잘못된 응답 ('Math extension cannot connect to Restbase.'):): {\displaystyle ( \lambda |0 \rangle + \mu |1 \rangle ) = {\bf w} \otimes {\bf 1} } 로 쓸 수 있고, w는 유니터리
요약하면 general 2-bit Q state는
구문 분석 실패 (MathML을 사용하되 미지원 시 SVG나 PNG 사용 (최신 브라우저나 접근성 도구에 권장): "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/" 서버에서 잘못된 응답 ('Math extension cannot connect to Restbase.'):): {\displaystyle | \Psi \rangle = {\bf u}_1^\dagger {\bf v}_0 C_{10} {\bf w}_1 | 0 0 \rangle }
로 만들 수 있다.
여기서 operator의 첨자는 operator가 작용하는 bit가 1번 bit인지 0번 bit인지 의미한다.