Wie kann man die CNOT-Matrix für ein 3-Qbit-System ableiten, bei dem die Kontroll- und Ziel-Qbit nicht benachbart sind?


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In einem Drei-Qbit-System ist es einfach, den CNOT-Operator abzuleiten, wenn die Kontroll- und Ziel-Qbit-Werte nebeneinander liegen. Sie müssen lediglich den 2-Bit-CNOT-Operator mit der Identitätsmatrix an der signifikanten Position des unberührten Qbit spannen:

C10|ϕ2ϕ1ϕ0=(I2C10)|ϕ2ϕ1ϕ0

Es ist jedoch nicht klar, wie der CNOT-Operator abgeleitet werden soll, wenn die Kontroll- und Ziel-QBits nicht benachbart sind:

C20|ϕ2ϕ1ϕ0

Wie geht das?

Antworten:


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Für eine Präsentation nach ersten Grundsätzen mag ich die Antwort von Ryan O'Donnell . Aber für eine etwas höhere algebraische Behandlung würde ich es folgendermaßen machen.

Das Hauptmerkmal einer gesteuerten U Operation für jede unitäre U ist, dass sie (kohärent) eine Operation für einige Qubits ausführt, abhängig vom Wert eines einzelnen Qubits. Die Art und Weise , dass wir diese algebraisch explizit schreiben können (mit der Kontrolle auf der ersten Qubit) ist:

CU=|00|1+|11|U
wobei1 eine Identitätsmatrix mit der gleichen Dimension wieU . Hier,|00|undsind Projektoren auf die Staaten | 0 und | 1 der Steuer Qubit - aber wir sind mit ihnen nicht hier als Elemente einer Messung, aber die Auswirkungen auf den anderen Qubits aufeinen oder anderen Unterraum des Zustandsraumes des ersten QubitAbhängigkeit zu beschreiben.|11||0|1

Wir können dies verwenden, um die Matrix für das Gatter abzuleiten , das eine X- Operation an Qubit 3 ausführt , die kohärent vom Zustand von Qubit 1 abhängig ist, indem wir dies als gesteuertes ( 1 2 betrachtenCX1,3X Operation auf Qubits 2 und 3: C X 1 , 3(12X)

CX1,3=|00|14+|11|(12X)=[140404(12X)]=[12020202021202020202X02020202X],
wobei die beiden letzteren Blockmatrixdarstellungen sind, um Platz (und Vernunft) zu sparen.

Besser noch: Wir können erkennen, dass - auf einer mathematischen Ebene, auf der wir uns erlauben zu erkennen, dass die Reihenfolge der Tensorfaktoren nicht in einer festen Reihenfolge sein muss - die Kontrolle und das Ziel der Operation auf zwei beliebigen Tensoren liegen können Faktoren, und dass wir die Beschreibung des Operators auf allen anderen Qubits mit ausfüllen können . Dies würde es uns ermöglichen, direkt zur Darstellung C X 1 , 3 zu springen 12

CX1,3=|00|control12uninvolved12target+|11|control12uninvolvedXtarget=[12020202021202020202020202020202]+[02020202020202020202X02020202X]
and also allows us to immediately see what to do if the roles of control and target are reversed:
CX3,1=12target12uninvolved|00|control+Xtarget12uninvolved|11|control=[|00||00||00||00|]+[|11||11||11||11|]=[1000000000100000000001000000000100000100000000011000000000100000].
But best of all: if you can write down these operators algebraically, you can take the first steps towards dispensing with the giant matrices entirely, instead reasoning about these operators algebraically using expressions such as CX1,3=|00|1212+|11|12X and CX3,1=1212|00|+X12|11|. There will be a limit to how much you can do with these, of course — a simple change in representation is unlikely to make a difficult quantum algorithm efficiently solvable, let alone tractable by manual calculation — but you can reason about simple circuits much more effectively using these expressions than with giant space-eating matrices.

Oh yeah, I recall projectors from early on in the Mermin book. Projectors and matrix addition are a way of encoding conditional logic in matrices!
ahelwer

"a simple change in representation is unlikely to make a difficult quantum algorithm efficiently solvable" - what about in the case of wick rotation's?
meowzz

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@meowzz: Every once in a while, such a change in notation allows you to make a conceptual advance and helps you to solve problems more easily. But not often, and probably not in the case of this particular change of notation, which is reasonably well-known. As to the specific case of the Wick rotation, however, the question I would ask is what specific advance it made possible to solve problems, and what problems it was helpful for.
Niel de Beaudrap

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This is a good question; it's one that textbooks seem to sneak around. I reached this exact question when preparing a quantum computing lecture a couple days ago.

As far as I can tell, there's no way of getting the desired 8x8 matrix using the Kronecker product notation for matrices. All you can really say is: Your operation of applying CNOT to three qubits, with the control being the first and the target being the third, has the following effects:

|000|000

|001|001

|010|010

|011|011

|100|101

|101|100

|110|111

|111|110

and therefore it is given by the following matrix:

U=[1000000001000000001000000001000000000100000010000000000100000010]

This matrix U is indeed neither I2CNOT nor CNOTI2. There is no succinct Kronecker-product-based notation for it; it just is what it is.


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As a general idea CNOT flips target based on control. I choose to flip the target if control is (=[1 0]T), you may choose it (=[0 1]T) too. So assume any general multiparticle state |ϕ=|123....n1n. Now you choose your control and target, lets say ith is control and kth is target. Applying CNOT on |ϕ will be just

CNOT|ϕ=CNOT|12...i...k...n1n=|12...i...k...n1n

To construct the matrix of such CNOT gate we apply σx(x-Pauli matrix) if ith state is up and we apply I(2×2 Identity) if ith state is down. We apply these matrices at the kth position, which is our target. Mathematically,

CNOT=[|1...i...k11...i...k1|σx|k+1...nk+1...n|+all permutations of states other then ith]+[|1...i...k11...i...k1|I|k+1...nk+1...n|+all permutations of states other then ith]

Note kth state(target) is excluded while creating the permutation matrix and at kth position the operator σx or I is written.

Take an example of five qubits in which 2nd qubit is target and 4th is control. Lets build the permutation matrix of CNOT. I take, if control is flip the target. You can take vice-versa too.

CNOT=|11|σx|345345|+|11|σx|345345|+|11|σx|345345|+|11|σx|345345|+|11|σx|345345|+|11|σx|345345|+|11|σx|345345|+|11|σx|345345|+|11|I|345345|+|11|I|345345|+|11|I|345345|+|11|I|345345|+|11|I|345345|+|11|I|345345|+|11|I|345345|+|11|I|345345|
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