量子计算 狄拉克符号与量子叠加态

一、向量

Bra 和 ket 由保罗·狄拉克引入,分别用于表示行向量和列向量。

假设有两个向量 v=(0,1)v=(0,1)v=(0,1), w=(1,0)w=(1,0)w=(1,0)。

www 横着写成行向量 w=10w=\begin{bmatrix}1&0\end{bmatrix}w=10,即 www 的 bra,记作 ⟨w∣\langle w |⟨w∣,也称 www 的左矢;

vvv 竖着写成列向量 v=01v=\begin{bmatrix}0\\1\end{bmatrix}v=01,即 vvv 的 ket,记作 ∣v⟩|v\rangle∣v⟩,也称 vvv 的右矢;

二、Bra-ket内积

把 ⟨w∣\langle w |⟨w∣ 与 ∣v⟩|v\rangle∣v⟩ 合在一起,两条竖线简写为一条,即
⟨w∣v⟩=1001=1∗0+0∗1=0\langle w |v\rangle=\begin{bmatrix}1&0\end{bmatrix}\begin{bmatrix}0\\1\end{bmatrix}=1*0+0*1=0⟨w∣v⟩=1001=1∗0+0∗1=0

其实就是向量的内积。

内积为 0 的两个向量相互正交。

三、量子叠加态

假设量子上旋记作 ∣0⟩=10|0\rangle=\begin{bmatrix}1\\0\end{bmatrix}∣0⟩=10,量子下旋记作 ∣1⟩=01|1\rangle=\begin{bmatrix}0\\1\end{bmatrix}∣1⟩=01

在量子状态测量坍塌前不知道是上旋还是下旋,即处于 ∣0⟩|0\rangle∣0⟩ 和 ∣1⟩|1\rangle∣1⟩ 的叠加态,记为 ∣ψ⟩|\psi\rangle∣ψ⟩。

∣ψ⟩=α∣0⟩+β∣1⟩|\psi\rangle=α|0\rangle+β|1\rangle∣ψ⟩=α∣0⟩+β∣1⟩ 表示当前状态上旋的概率为 α2α^2α2,下旋的概率为 β2β^2β2 。

如 ∣ψ⟩=12∣01⟩=12∣0⟩+12∣1⟩|\psi\rangle=\frac{1}{\sqrt{2}}|01\rangle=\frac{1}{\sqrt{2}}|0\rangle+\frac{1}{\sqrt{2}}|1\rangle∣ψ⟩=2 1∣01⟩=2 1∣0⟩+2 1∣1⟩ 表示,上旋的概率为 (12)2=12(\frac{1}{\sqrt{2}})^2=\frac{1}{2}(2 1)2=21,下旋的概率为 (12)2=12(\frac{1}{\sqrt{2}})^2=\frac{1}{2}(2 1)2=21 。

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