前言

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一、向量表示和向量运算

线性代数的基本对象是向量,而量子计算的基本单位是量子比特,量子比特用向量来描述。

注:两能级系统和量子比特
经典计算机:用逻辑电路中的高低电平表示 0、1
量子计算机:用粒子所处的两种能级基态 g>\left| g \right>激发态 e>\left| e \right> 构成基本计算单元,用向量的方式表示为:

g>=[01],e>=[10] \left| g \right> =\left[ \begin{array}{c} 0\\ 1\\ \end{array} \right] ,\left| e \right> =\left[ \begin{array}{c} 1\\ 0\\ \end{array} \right]
和经典的比特类比,常将 g>\left| g \right> 记做 1>\left| 1 \right>,将 e>\left| e \right> 记做 0>\left| 0 \right>,并称之为量子比特(quantum bits)。

向量的表示

[z1zn] \left[ \begin{array}{c} z_1\\ \vdots\\ z_n\\ \end{array} \right]

向量的运算

  • 加法:[z1zn]+[z1zn]=[z1+z1zn+zn] \left[ \begin{array}{c} z_1\\ \vdots\\ z_n\\ \end{array} \right] +\left[ \begin{array}{c} z_{1}^{'}\\ \vdots\\ z_{n}^{'}\\ \end{array} \right] =\left[ \begin{array}{c} z_1+z_{1}^{'}\\ \vdots\\ z_n+z_{n}^{'}\\ \end{array} \right]

  • 标量乘:z[z1zn]=[zz1zzn] z\left[ \begin{array}{c} z_1\\ \vdots\\ z_n\\ \end{array} \right] =\left[ \begin{array}{c} zz_1\\ \vdots\\ zz_n\\ \end{array} \right]

  • 新的符号:狄拉克(Dirac)符号ψ>\left| \psi \right>,这是量子力学和量子计算中最基础的符号,这个符号等价于向量。

在量子理论中,描述量子态的向量称为态矢,态矢分为左矢和右矢。
右失(ket):ψ>=[c1c2cn]T=[c1c2cn]左失(bra):<ψ=[c1c2cn] \text{右失(}ket\text{):}\left| \psi \right> =\left[ \begin{matrix} c_1& c_2& \cdots& c_n\\ \end{matrix} \right] ^{\mathrm{T}}=\left[ \begin{array}{c} c_1\\ c_2\\ \vdots\\ c_n\\ \end{array} \right] \\ \text{左失(}bra\text{):}\left< \psi \right|=\left[ \begin{matrix} c_{1}^{*}& c_{2}^{*}& \cdots& c_{n}^{*}\\ \end{matrix} \right]
在讨论同一个问题时,如果左矢和右矢在括号内的描述相同的话,那么这两个矢量互为转置共轭。

  • 基:

对于一组向量 u1>,,un>\left| u_1 \right> ,\cdots ,\left| u_n \right> 张成(spanning)的 nn 维空间 CnC^n ,空间中的任意向量可以表示为:
v>=ixiui>=[x1x2xn] \left| v \right> =\sum_i{x_i\left| u_i \right>}=\left[ \begin{array}{c} x_1\\ x_2\\ \vdots\\ x_n\\ \end{array} \right]
这个集合 {u1>,,un>}\left\{ \left| u_1 \right> ,\cdots ,\left| u_n \right> \right\} 就称为 CnC^n 的基(Basis)。

  • 内积:

CnC^n 上的内积表示为(注意左边的向量要变成其共轭!):((a1,an),(b1,,bn))=i=1naibi \left( \left( a_1,\cdots a_n \right) ,\left( b_1,\cdots ,b_n \right) \right) =\sum_{i=1}^n{a_{i}^{*}b_i}
用狄拉克符号表示:<wv>=(w>,v>) \left< w \mid v \right> =\left( \left| w \right> ,\left| v \right> \right)
内积的结果是一个值!

  • 正交:

两个向量 v>,w>\left| v \right> ,\left| w \right> 正交,则有:<wv>=0\left< w \mid v \right> =0;一个正交集中的向量 i>\left| i \right>ii 表示向量的序号)两两正交,符合:<ji>=δij,δij={0,ij1,i=j \left< j \mid i \right> =\delta _{ij},\delta _{ij}=\begin{cases} 0, i\ne j\\ 1, i=j\\ \end{cases}
一个正交集具有完备性:i=1ni><i=I \sum_{i=1}^n{\left| i \right> \left< i \right|=I}
比如一个单位正交矩阵A=[a1b1c1a2b2c2a3b3c3] A=\left[ \begin{matrix} a_1& b_1& c_1\\ a_2& b_2& c_2\\ a_3& b_3& c_3\\ \end{matrix} \right]
则:
量子计算基础数学

  • 外积:

定义:α><β=[aibj]m×n\left| \alpha \right> \left< \beta \right|=\left[ a_ib_{j}^{*} \right] _{m\times n},结果是一个矩阵!
外积 φ><ψ\left| \varphi \right> \left< \psi \right| 是一个线性算子,这里的算子就相当于矩阵。例如:(φ><ψ)ψ>=φ>(<ψψ>)=φ><ψψ>=<ψψ>φ>\left( \left| \varphi \right> \left< \psi \right| \right) \left| \psi ' \right> =\left| \varphi \right> \left( \left< \psi \right|\left| \psi ' \right> \right) =\left| \varphi \right> \left< \psi \mid \psi ' \right> =\left< \psi \mid \psi ' \right> \left| \varphi \right>

二、线性算子和矩阵

线性算子

给定一个线性算子:AA,则有:A(iaivi>)=iaiA(vi>)A\left( \sum_i{a_i\left| v_i \right>} \right) =\sum_i{a_iA(\left| v_i \right>)},矩阵在量子力学中可以看作是算子,而线性则是指算子 AA 对一个向量的操作相当于对基的操作,是一种线性变化变换量子计算基础数学
用狄拉克符号符号表示为:Av>=A(v>)A\left| v \right> =A\left( \left| v \right> \right)
当有两个算子作用时,有:BAv>=B(A(v>))BA\left| v \right> =B\left( A\left( \left| v \right> \right) \right)

几个简单的常用算子

  • 泡利矩阵(泡利算子)
    σ0=I=(1001)\sigma _0=I=\left( \begin{matrix} 1& 0\\ 0& 1\\ \end{matrix} \right)
    II 作用于向量时,向量不发生改变;
    σ1=σx=X=(0110)\sigma _1=\sigma _x=X=\left( \begin{matrix} 0& 1\\ 1& 0\\ \end{matrix} \right)
    XX 作用于向量时,向量发生翻转;
    σ2=σy=Y=(0ii0)\sigma _2=\sigma _y=Y=\left( \begin{matrix} 0& -i\\ i& 0\\ \end{matrix} \right)
    σ3=σz=Z=(1001)\sigma _3=\sigma _z=Z=\left( \begin{matrix} 1& 0\\ 0& -1\\ \end{matrix} \right)
    (我们需要将泡利矩阵中的参数记在脑海中。)

  • 厄米算子(自伴算子)
    给定一个算子 AA,它的厄米共轭(转置加共轭)是 AA^{\dagger},对于一个厄米算子 A=AA=A^{\dagger},给定另一个算子 BB,有:(AB)=BA\left( AB \right) ^{\dagger}=B^{\dagger}A^{\dagger}
    because : (AB)=(AB)T=BTAT=BA\left( AB \right) ^{\dagger}=\left( A^*B^* \right) ^{\mathrm{T}}=B^{*\mathrm{T}}A^{*\mathrm{T}}=B^{\dagger}A^{\dagger}
    另外:v>=<v,(v><w)=w><v\left| v \right> ^{\dagger}=\left< v \right|, \left( \left| v \right> \left< w \right| \right) ^{\dagger}=\left| w \right> \left< v \right| ,翻看一下前面左失右失的定义就很容易理解啦!

  • 投影算子
    投影算子 PPCnCmC^n\rightarrow C^mm<nm<n,(从高维空间向低维空间投影的操作)表示为:P=i=1mi><iP=\sum_{i=1}^m{\left| i \right>}\left< i \right|,满足以下两个条件:P=P,P2=P P^{\dagger}=P, P^2=P
    可以知道,投影算子是一种特殊的厄米算子,还是一种幂等算子。幂等性的证明如下:
    P2=(i=1ki><i)2=乘法分配律i,j=1ki><ij><j=i,j=1ki>δij<j=i=1ki><i=PP^2=\left( \sum_{i=1}^k{\left| i \right> \left< i \right|} \right) ^2\xlongequal{\text{乘法分配律}}\sum_{i,j=1}^k{\left| i \right>}\left< i \mid j \right> \left< j \right|=\sum_{i,j=1}^k{\left| i \right>}\delta _{ij}\left< j \right|=\sum_{i=1}^k{\left| i \right> \left< i \right|}=P

  • 正规算子
    如果算子 AA 满足 AA=AAA^{\dagger}A=AA^{\dagger},则该算子是正规的,且一定可以对角化(diagonalizable),因为厄米算子满足P=PP^{\dagger}=P,则也一定可以对角化,所以厄米算子也是正规算子。

  • 酉算子(酉矩阵)(所有的量子逻辑门都是由酉算子表示的)
    如果算子满足 UU=UU=IU^{\dagger}U=UU^{\dagger}=I,则说算子(矩阵) UU 是酉正(Unitary)的。

三、特征值和特征向量

一个算子 AA 的特征值 vv 和特征向量 v>\left| v \right> 满足:Av>=vv>A\left| v \right> =v\left| v \right>,其必定是可对角化的,对角表示为:A=iλii><iA=\sum_i{\lambda _i\left| i \right>}\left< i \right|,其中 λi\lambda _iAA 的第 ii 个特征值,i>\left| i \right> 为对应的特征向量,所有 i>\left| i \right> 构成一个正交集。
注意:特征值和特征向量的下标要一一对应起来。

谱分解(Special Decomposition)

谱分解就是线性代数中的特征值分解(Eigenvalue Decomposition)。
对于一个正规算子,可以将其写成谱分解的形式:A=aaa><aA=\sum_a{a\left| a \right>}\left< a \right|
注:如果一个算子是正规算子,则该算子能够进行谱分解,即可以比较化。

谱分解的作用

当我们需要对一个算子进行函数运算,比如给定算子 AA,需要求解 f(A)f(A),则可以先将 AA 进行谱分解,对其特征值进行函数运算:f(A)=af(a)a><af\left( A \right) =\sum_a{f\left( a \right) \left| a \right>}\left< a \right|。例如:

  • 求解幂函数An=aana><a A^n=\sum_a{a^n\left| a \right>}\left< a \right|
  • 开方操作
    A1n=aa1na><a A^{\frac{1}{n}}=\sum_a{a^{\frac{1}{n}}\left| a \right>}\left< a \right|

四、张量积与迹

向量的张量积

向量 v>\left| v \right>w>\left| w \right>CnC^nCmC^m 中的张量积为 Cn×mC^{n\times m} 中的向量:v>w>=v>w>=vw>\left| v \right> \otimes \left| w \right> =\left| v \right> \left| w \right> =\left| vw \right>,例:
[v1v2][w1w2]=[v1w1v1w2v2w1v2w2] \left[ \begin{array}{c} v_1\\ v_2\\ \end{array} \right] \otimes \left[ \begin{array}{c} w_1\\ w_2\\ \end{array} \right] =\left[ \begin{array}{c} v_1w_1\\ v_1w_2\\ v_2w_1\\ v_2w_2\\ \end{array} \right]

矩阵的张量积

矩阵 AABB 的张量积的定义为:ABA\otimes B,对向量的操作为:AB(v>w>)=Av>Bw> A\otimes B\left( \left| v \right> \otimes \left| w \right> \right) =A\left| v \right> \otimes B\left| w \right>
注意: AA 作用在 v>\left| v \right> 上而 BB 作用在 w>\left| w \right> 上。
例:给定矩阵 AABB
A=[a11a12a21a22]  B=[b11b12b21b22] A=\left[ \begin{matrix} a_{11}& a_{12}\\ a_{21}& a_{22}\\ \end{matrix} \right] \,\, B=\left[ \begin{matrix} b_{11}& b_{12}\\ b_{21}& b_{22}\\ \end{matrix} \right]
AABB 的张量积为:
AB=[a11Ba12Ba21Ba22B]=[a11b11a11b12a12b11a12b12a11b21a11b22a12b21a12b22a21b11a21b12a22b11a22b12a21b21a21b22a22b21a22b22] A\otimes B=\left[ \begin{matrix} a_{11}B& a_{12}B\\ a_{21}B& a_{22}B\\ \end{matrix} \right] =\left[ \begin{matrix} a_{11}b_{11}& a_{11}b_{12}& a_{12}b_{11}& a_{12}b_{12}\\ a_{11}b_{21}& a_{11}b_{22}& a_{12}b_{21}& a_{12}b_{22}\\ a_{21}b_{11}& a_{21}b_{12}& a_{22}b_{11}& a_{22}b_{12}\\ a_{21}b_{21}& a_{21}b_{22}& a_{22}b_{21}& a_{22}b_{22}\\ \end{matrix} \right]

张量积操作规则

(AB)=AB \left( A\otimes B \right) ^{\dagger}=A^{\dagger}\otimes B^{\dagger}

迹(Trace)

一个矩阵 AA 的迹定义为:tr(A)=iAiitr\left( A \right) =\sum_i{A_{ii}}
给定几个矩阵:AABBCC,则有以下规则:

  • 循环性:tr(ABC)=tr(CAB)=tr(BCA)tr\left( ABC \right) =tr\left( CAB \right) =tr\left( BCA \right)
    量子计算基础数学
  • 外积公式:tr(Aψ><ψ)=<ψAψ>tr\left( A\left| \psi \right> \left< \psi \right| \right) =\left< \psi \right|\begin{matrix} A\\ \end{matrix}\left| \psi \right>

总结

量子计算基础数学

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