Jsou amplitudy kvantových stavů vždy reálnými čísly?

/ / Vyšlo v Kvantové informace, EITC/QI/QIF Základy kvantových informací, Začínáme, Karta Přehled

V oblasti kvantové informace je základní koncept kvantových stavů a ​​jejich přidružených amplitud. Abychom se zabývali otázkou, zda amplituda kvantového stavu musí být reálné číslo, je nutné vzít v úvahu matematický formalismus kvantové mechaniky a principy, kterými se kvantové stavy řídí.

Kvantová mechanika představuje stav kvantového systému pomocí matematického objektu známého jako vlnová funkce nebo stavový vektor, typicky označovaný (psi) (psi) nebo (ket{psi}) v Diracově notaci. Tento stavový vektor se nachází ve složitém vektorovém prostoru zvaném Hilbertův prostor. Prvky tohoto prostoru, stavové vektory, jsou obecně komplexními funkcemi.

Amplituda kvantového stavu se týká koeficientů, které se objevují v expanzi stavového vektoru v podmínkách zvoleného základu. Pro kvantový systém popsaný stavovým vektorem ( ket{psi} ), pokud tento stav vyjádříme pomocí báze ( { ket{phi_i} } ), máme:

[ ket{psi} = sum_i c_i ket{phi_i} ]

Zde jsou (c_i) komplexní amplitudy spojené se základními stavy (ket{phi_i}). Tyto amplitudy (c_i) jsou obecně komplexní čísla. To je přímým důsledkem požadavku, aby byl vnitřní prostor produktu úplný a aby vyhovoval principům kvantové superpozice a interference.

Složitá povaha amplitud je důležitá z několika důvodů:

1. Princip superpozice: Kvantová mechanika umožňuje superpozici stavů. Pokud ( ket{psi_1} ) a ( ket{psi_2} ) jsou dva platné kvantové stavy, pak jakákoli lineární kombinace ( alfa ket{psi_1} + beta ket{psi_2} ), kde ( alfa ) a ( beta ) jsou komplexní čísla, je také platný kvantový stav. Komplexní koeficienty ( alfa ) a ( beta ) představují amplitudy příslušných stavů v superpozici.

2. Interpretace pravděpodobnosti: Pravděpodobnost měření určitého výsledku v kvantovém systému je určena druhou mocninou modulu amplitudy. Pokud ( c_i ) je amplituda stavu ( ket{phi_i} ), pravděpodobnost ( P_i ) měření stavu ( ket{phi_i} ) je dána vztahem:

[ P_i = |c_i|^2 = c_i^* c_i ]

kde (c_i^*) je komplexní konjugát (c_i). Tato pravděpodobnost musí být reálné číslo mezi 0 a 1, ale samotná amplituda (c_i) může být složitá.

3. Interferenční efekty: Složitá povaha amplitud je nezbytná pro popis interferenčních jevů. Při interferenci dvou nebo více kvantových drah je výsledná amplituda součtem jednotlivých amplitud a fázový rozdíl mezi těmito komplexními amplitudami vede ke konstruktivní nebo destruktivní interferenci. To je základní aspekt jevů, jako je experiment s dvojitou štěrbinou.

4. Unitární evoluce: Časový vývoj kvantového stavu se řídí Schrödingerovou rovnicí, která zahrnuje hamiltonovský operátor. Řešení této rovnice jsou obecně komplexní funkce. Unitární operátory, které popisují evoluci, zachovávají normu stavového vektoru, ale mohou měnit jeho fázi, což vyžaduje, aby amplitudy byly komplexní.

Pro ilustraci těchto bodů zvažte jednoduchý příklad qubit, základní jednotky kvantové informace. Qubit může být v superpozici základních stavů ( ket{0} ) a ( ket{1} ):

[ ket{psi} = alfa ket{0} + beta ket{1} ]

Zde jsou ( alpha ) a ( beta ) komplexní čísla taková, že ( |alpha|^2 + |beta|^2 = 1 ). Tato normalizační podmínka zajišťuje, že celková pravděpodobnost nalezení qubitu ve stavu ( ket{0} ) nebo ( ket{1} ) je 1. Složitá povaha (alfa) a (beta) umožňuje bohatou strukturu kvantových stavů a je nezbytný pro úlohy kvantových výpočtů a zpracování informací.

Vezměme si například Hadamardovu bránu, základní kvantovou bránu používanou k vytváření superpozičních stavů. Když se použije na základní stav ( ket{0} ), Hadamardova brána vytvoří stav:

[ ket{+} = frac{1}{sqrt{2}} (ket{0} + ket{1}) ]

Zde je amplituda pro ( ket{0} ) i ( ket{1} ) ( frac{1}{sqrt{2}} ), což je reálné číslo. Pokud však použijeme Hadamardovu bránu na stav ( ket{1} ), získáme:

[ ket{-} = frac{1}{sqrt{2}} (ket{0} – ket{1}) ]

V tomto případě je amplituda pro ( ket{1} ) ( -frac{1}{sqrt{2}} ), což je stále reálné. Nicméně zvažte fázovou bránu, která zavádí komplexní fázový faktor. Fázová brána ( R(theta) ) působí na qubitový stav ( ket{psi} = alfa ket{0} + beta ket{1} ) takto:

[ R(theta) ket{psi} = alfa ket{0} + beta e^{itheta} ket{1} ]

Zde je ( e^{itheta} ) komplexní číslo s jednotkovým modulem. Tato operace jasně ukazuje, že amplituda stavu ( ket{1} ) může získat komplexní fázový faktor, což zdůrazňuje nutnost komplexních amplitud v kvantové mechanice.

Dále zvažte fenomén kvantového provázání, kde je stav jedné částice vnitřně spojen se stavem jiné, bez ohledu na vzdálenost mezi nimi. Zapletený stav dvou qubitů může být reprezentován jako:

[ ket{psi} = frac{1}{sqrt{2}} (ket{00} + e^{iphi} ket{11}) ]

Zde je (e^{iphi}) komplexní fázový faktor demonstrující, že relativní fáze mezi složkami spleteného stavu je důležitá pro popis vlastností zapletení.

V kvantovém počítání je použití komplexních amplitud pro implementaci kvantových algoritmů nezbytné. Například Shorův algoritmus pro faktoring velkých celých čísel a Groverův algoritmus pro nestrukturované vyhledávání spoléhají na interferenci komplexních amplitud, aby bylo dosaženo jejich exponenciálního zrychlení oproti klasickým algoritmům.

Nezbytnost komplexních amplitud je zřejmá i v kontextu kvantové korekce chyb. Kvantové kódy pro opravu chyb, jako je Shorův kód nebo Steaneův kód, kódují logické qubity do zapletených stavů více fyzických qubitů. Komplexní amplitudy v těchto kódech zajišťují, že chyby mohou být detekovány a opraveny, aniž by došlo ke zhroucení kvantové informace.

Amplituda kvantového stavu nemusí být reálné číslo. Složitá povaha kvantových amplitud je základním aspektem kvantové mechaniky, který umožňuje popis superpozice, interference a zapletení. Použití komplexních čísel je zásadní pro matematickou konzistenci kvantové teorie a praktickou realizaci úloh kvantového zpracování informací.

Další nedávné otázky a odpovědi týkající se EITC/QI/QIF Základy kvantových informací:

Prohlédněte si další otázky a odpovědi v EITC/QI/QIF Quantum Information Fundamentals

Další otázky a odpovědi:

V rubrice: , , , , ,