量子计算系列:


唠唠闲话

量子系列第二篇,内容如下:

本篇介绍 Bloch 球及其性质,在 Nakahara 第三章的基础上,补充命题和推导。


纯态与 Bloch 球面

量子比特

经典比特的取值为 1 或 0,由二极管的通电断电实现。

量子比特的取值是二维复空间 C2\mathbb{C}^2 上的单位向量,以 ∣0⟩=(10)\vert 0\rangle = \begin{pmatrix} 1\\ 0 \end{pmatrix} 和 ∣1⟩=(01)\vert 1\rangle = \begin{pmatrix} 0\\ 1 \end{pmatrix} 为一组基。
物理上,实现基元 ∣0⟩\vert 0\rangle 和 ∣1⟩\vert 1\rangle 有多种方案:

  1. 自旋 为 12\frac 12 的粒子,比如电子或质子

    • ∣0⟩=∣↑⟩\vert 0\rangle = \vert \uparrow\rangle 为上旋
    • ∣1⟩=∣↓⟩\vert 1\rangle = \vert \downarrow\rangle 为下旋
  2. 偏振光子(polarized photon)

    • ∣0⟩\vert 0\rangle 取竖直偏振的光子 ∣↕⟩\vert \updownarrow\rangle
    • ∣1⟩\vert 1\rangle 取水平偏振的光子 ∣↔⟩\vert \leftrightarrow\rangle

注记:

  1. 量子比特用复向量定义,因而属于纯态;
  2. 自旋是粒子的内禀属性,自旋度为 SS 的粒子能提供 d=2S+1d=2S+1 种正交的自旋状态,用于构造 dd 种状态叠加的粒子,但这类粒子的重要性还有待探索。
  3. 量子计算与经典计算在硬件实现上有本质的不同,后者处理离散的0-1,而前者处理向量空间。

Bloch 球面

回顾上篇,纯态 ∣ψ⟩\vert\psi\rangle 代表集合等价类

{eiα∣ψ⟩∣α∈R}\{e^{i\alpha}\vert\psi\rangle\mid \alpha\in\mathbb{R}\}

我们给出代表元的标准形式,用以建立纯态与球面的对应。引理: C2\mathbb{C}^2 中的纯态有如下标准形式

∣ψ(θ,ϕ)⟩=cos⁡θ2∣0⟩+eiϕsin⁡θ2∣1⟩,θ∈[0,π],ϕ∈[0,2π]\vert\psi(\theta,\phi)\rangle=\cos\frac{\theta}{2}\vert 0\rangle+e^{i\phi}\sin\frac{\theta}{2}\vert 1\rangle,\theta\in[0,\pi],\phi\in[0,2\pi]

证明:
将代表元 a∣0⟩+b∣1⟩∈C2a\vert 0\rangle+b\vert 1\rangle\in\mathbb{C}^2 标准化:

  1. 不妨设系数 aa 为实数,否则调整幅角使 eiαae^{i\alpha}a 为实数;将系数 bb 拆成指数形式,代表元化

    a∣0⟩+beiα∣1⟩, a,b,α∈Ra\vert 0\rangle+be^{i\alpha}\vert 1\rangle,\ a,b,\alpha\in\mathbb{R}

  2. 由归一化条件 a2+b2=1a^2+b^2=1,代表元化

    cos⁡θ2∣0⟩+eiϕsin⁡θ2∣1⟩,θ∈[0,4π],ϕ∈[0,2π]\cos\frac{\theta}{2}\vert 0\rangle+e^{i\phi}\sin\frac{\theta}{2}\vert 1\rangle,\theta\in[0,4\pi],\phi\in[0,2\pi]

    夹角取 θ2\frac{\theta}{2} 方便与球面建立对应。
  3. 将 θ\theta 取值范围缩小为 [0,2π][0,2\pi],当 θ>2π\theta>2\pi 时,如下变量代换

    cos⁡θ2∣0⟩+eiϕsin⁡θ2∣1⟩=−(cos⁡θ−2π2∣0⟩+eiϕsin⁡θ−2π2∣1⟩)=−(cos⁡θ′2∣0⟩+eiϕsin⁡θ′2∣1⟩)whereθ′=θ−2π∈[0,2π]\begin{align*} \cos\frac{\theta}{2}\vert 0\rangle+e^{i\phi}\sin\frac{\theta}{2}\vert 1\rangle =&-\left(\cos\frac{\theta-2\pi}{2}\vert 0\rangle+e^{i\phi}\sin\frac{\theta-2\pi}{2}\vert 1\rangle\right)\\ =&-\left(\cos\frac{\theta'}{2}\vert 0\rangle + e^{i\phi}\sin\frac{\theta'}{2}\vert 1\rangle\right)\\ where\quad \theta'=\theta-2\pi\in[0,2\pi] \end{align*}

  4. 将 θ\theta 取值范围缩小为 [0,π][0,\pi],当 θ>π\theta>\pi 时,如下变量代换

    cos⁡θ+π2∣0⟩+eiϕsin⁡θ+π2∣1⟩=−cos⁡(π2−θ2)∣0⟩+eiϕsin⁡(π2−θ2)∣1⟩=−(cos⁡θ′2∣0⟩+ei(ϕ+π)sin⁡θ′2∣1⟩)whereθ′=π−θ∈[0,π]\begin{align*} \cos\frac{\theta+\pi}{2}\vert 0\rangle+e^{i\phi}\sin\frac{\theta+\pi}{2}\vert 1\rangle =&-\cos(\frac{\pi}{2}-\frac{\theta}{2})\vert 0\rangle + e^{i\phi}\sin(\frac{\pi}{2}-\frac{\theta}{2})\vert 1\rangle\\ =&-\left(\cos\frac{\theta'}{2}\vert 0\rangle + e^{i(\phi+\pi)}\sin\frac{\theta'}{2}\vert 1\rangle\right)\\ where\quad \theta'=\pi-\theta\in[0,\pi] \end{align*}

现在,对比二维球面 S2S^2 与纯态标准形式

S2={n⃗(θ,ϕ)=(sin⁡θcos⁡ϕ,sin⁡θsin⁡ϕ,cos⁡θ)t:θ∈[0,π],ϕ∈[0,2π]}∣ψ(θ,ϕ)⟩=cos⁡θ2∣0⟩+eiϕsin⁡θ2∣1⟩,θ∈[0,π],ϕ∈[0,2π]S^2 = \{\vec{n}(\theta,\phi)=(\sin\theta\cos\phi,\sin\theta\sin\phi,\cos\theta)^t:\theta\in[0,\pi],\phi\in[0,2\pi]\}\\ \vert\psi(\theta,\phi)\rangle=\cos\frac{\theta}{2}\vert 0\rangle+e^{i\phi}\sin\frac{\theta}{2}\vert 1\rangle,\theta\in[0,\pi],\phi\in[0,2\pi]

二者参数 θ\theta 和 ϕ\phi 的取值范围相同,且易证

n⃗(θ1,ϕ1)=n⃗(θ2,ϕ2)⇔∣ψ(θ1,ϕ1)⟩=∣ψ(θ2,ϕ2)⟩\vec{n}(\theta_1,\phi_1)=\vec{n}(\theta_2,\phi_2)\Leftrightarrow\vert\psi(\theta_1,\phi_1)\rangle=\vert\psi(\theta_2,\phi_2)\rangle

于是 C2\mathbb{C}^2 纯态与二维球面 S2S^2 借由 (θ,ϕ)(\theta,\phi) 建立一一对应。

2021-10-23_19-31-53

我们称 S2S^2 为 Bloch 球面,称向量 n⃗(θ,ϕ)\vec{n}(\theta,\phi) 为量子态 ∣ψ(θ,ϕ)⟩\vert\psi(\theta,\phi)\rangle 的 Bloch 向量。

C2\mathbb{C}^2 纯态构成二维曲面的一种理解:

  • 从实数域看, ∣ψ⟩∈C2\vert\psi\rangle\in\mathbb{C}^2 是四维空间 R4\mathbb{R}^4 上的向量,有 4 个自由变量;
  • 由归一化条件 ⟨ψ∣ψ⟩=1\langle\psi\vert\psi\rangle=1,ψ\psi 的自由变量剩 3 个;
  • 再由整体相位 eiαe^{i\alpha},自由变量剩 2 个,得到二维球面 S2S^2。

C2\mathbb{C}^2 是维数最低的量子系统,恰好能用 Bloch 球理解其量子态,但更高维的量子系统就很难再找到这种对应了。

几何性质

量子态 ∣ψ⟩\vert\psi\rangle 是复空间 C2\mathbb{C}^2 中的向量,从实数域上看,C2\mathbb{C}^2 是个四维空间,我们很难想象。但借助 C2\mathbb{C}^2 纯态与二维球面 S2S^2 的对应,我们可以用 Bloch 球面的几何性质理解 C2\mathbb{C}^2 中纯态的几何性质。

下边探讨二者几何性质的联系,并导出泡利矩阵。

坐标轴

如下建立直角坐标系

坐标轴的量子态与狄拉克记号::

狄拉克符号 坐标轴方向 S2S^2 坐标 (θ,ϕ)(\theta,\phi) 量子态
∣0⟩\vert 0\rangle z+z^+ (0,0,1)(0,0,1) (0,0)(0,0) ∣0⟩=(10)\vert 0\rangle=\begin{pmatrix}1\\ 0\end{pmatrix}
∣1⟩\vert 1\rangle z−z^- (0,0,−1)(0,0,-1) (π,0)(\pi,0) ∣1⟩=(01)\vert 1\rangle=\begin{pmatrix}0\\ 1\end{pmatrix}
∣+⟩\vert +\rangle x+x^+ (1,0,0)(1,0,0) (π2,0)(\frac{\pi}{2},0) ∣0⟩+∣1⟩2=12(11)\frac{\vert 0\rangle+\vert 1\rangle}{\sqrt{2}}=\frac{1}{\sqrt{2}}\begin{pmatrix}1\\ 1\end{pmatrix}
∣−⟩\vert -\rangle x−x^- (−1,0,0)(-1,0,0) (π2,π)(\frac{\pi}{2},\pi) ∣0⟩−∣1⟩2=12(1−1)\frac{\vert 0\rangle-\vert 1\rangle}{\sqrt{2}}=\frac{1}{\sqrt{2}}\begin{pmatrix}1\\ -1\end{pmatrix}
∣+i⟩\vert +i\rangle y+y^+ (0,1,0)(0,1,0) (π2,π2)(\frac{\pi}{2},\frac{\pi}{2}) ∣0⟩+i∣1⟩2=12(1i)\frac{\vert 0\rangle+i\vert 1\rangle}{\sqrt{2}}=\frac{1}{\sqrt{2}}\begin{pmatrix}1\\ i\end{pmatrix}
∣−i⟩\vert -i\rangle y−y^- (0,−1,0)(0,-1,0) (π2,3π2)(\frac{\pi}{2},\frac{3\pi}{2}) ∣0⟩−i∣1⟩2=12(1−i)\frac{\vert 0\rangle-i\vert 1\rangle}{\sqrt{2}}=\frac{1}{\sqrt{2}}\begin{pmatrix}1\\ -i\end{pmatrix}

正交与反向

正交的量子态对应方向相反的 Bloch 向量:

⟨ψ(θ2,ϕ2)∣ψ(θ1,ϕ1)⟩=0⇔n⃗(θ1,ϕ1)=−n⃗(θ2,ϕ2)\langle\psi(\theta_2,\phi_2)\vert\psi(\theta_1,\phi_1)\rangle=0\Leftrightarrow \vec{n}(\theta_1,\phi_1)=-\vec{n}(\theta_2,\phi_2)

证明:
令 α+=n⃗(θ,ϕ),α−=n⃗(π−θ,π+ϕ)\alpha^+=\vec{n}(\theta,\phi),\alpha^-=\vec{n}(\pi-\theta,\pi+\phi) 为方向相反的两个向量,计算內积得

⟨α+∣α−⟩=⟨ψ(θ,ϕ)∣ψ(π−θ,π+ϕ)⟩=(cos⁡θ2e−iϕsin⁡θ2)(cos⁡π−θ2ei(ϕ+π)sin⁡π−θ2)=(cos⁡θ2e−iϕsin⁡θ2)(sin⁡θ2−eiϕcos⁡θ2)=0\begin{align*} \langle\alpha^+\vert\alpha^-\rangle &= \langle\psi(\theta,\phi)\vert\psi(\pi-\theta,\pi+\phi)\rangle\\ &=\begin{pmatrix}\cos\frac{\theta}{2}& e^{-i\phi}\sin\frac{\theta}{2}\end{pmatrix}\begin{pmatrix}\cos\frac{\pi-\theta}{2}\\ e^{i(\phi+\pi)}\sin\frac{\pi-\theta}{2}\end{pmatrix}\\ &=\begin{pmatrix}\cos\frac{\theta}{2}& e^{-i\phi}\sin\frac{\theta}{2}\end{pmatrix}\begin{pmatrix}\sin\frac{\theta}{2}\\ -e^{i\phi}\cos\frac{\theta}{2}\end{pmatrix}\\ &=0 \end{align*}

推论:量子态 ∣α+⟩\vert\alpha^+\rangle 和 ∣α−⟩\vert\alpha^-\rangle 作成 C2\mathbb{C}^2 的一组正交基。

球投影算子

对向量 α+=n⃗(θ,ϕ)∈S2\alpha^+=\vec{n}(\theta,\phi)\in S^2 ,定义球投影算子

σα+=∣α+⟩⟨α+∣−∣α−⟩⟨α−∣=(cos⁡θ2eiϕsin⁡θ2)(cos⁡θ2e−iϕsin⁡θ2)−(sin⁡θ2−eiϕcos⁡θ2)(sin⁡θ2−e−iϕcos⁡θ2)=(cos⁡θe−iϕsin⁡θeiϕsin⁡θ−cos⁡θ)\begin{align*} \sigma_{\alpha^+} &= \vert\alpha^+\rangle\langle\alpha^+\vert -\vert\alpha^-\rangle\langle\alpha^-\vert\\ &=\begin{pmatrix}\cos\frac{\theta}{2}\\ e^{i\phi}\sin\frac{\theta}{2}\end{pmatrix} \begin{pmatrix}\cos\frac{\theta}{2}& e^{-i\phi}\sin\frac{\theta}{2}\end{pmatrix} -\begin{pmatrix}\sin\frac{\theta}{2}\\ -e^{i\phi}\cos\frac{\theta}{2}\end{pmatrix} \begin{pmatrix}\sin\frac{\theta}{2}& -e^{-i\phi}\cos\frac{\theta}{2}\end{pmatrix}\\ &=\begin{pmatrix} \cos\theta & e^{-i\phi}\sin\theta\\ e^{i\phi}\sin\theta & -\cos\theta \end{pmatrix} \end{align*}

由定义知,∣α±⟩\vert\alpha^\pm\rangle 分别为 σα+\sigma_{\alpha^+} 的特征值 ±1\pm 1 的特征向量。测量上,算子 σα+\sigma_{\alpha^+} 对纯态 ∣ψ′⟩\vert\psi'\rangle 的测量期望为 ∣ψ′⟩\vert\psi'\rangle 的 Bloch 向量 n⃗′\vec n' 在 α+=n⃗\alpha^+=\vec{n} 方向的投影,即:

⟨σα+⟩=⟨ψ(θ′,ϕ′)∣σα+∣ψ(θ′,ϕ′)⟩=(cos⁡θ′2e−iϕ′sin⁡θ′2)(cos⁡θe−iϕsin⁡θeiϕsin⁡θ−cos⁡θ)(cos⁡θ′2eiϕ′sin⁡θ′2)=cos⁡θcos⁡θ′+sin⁡θsin⁡ϕsin⁡θ′sin⁡ϕ′+sin⁡θcos⁡ϕsin⁡θ′cos⁡ϕ′=n⃗(θ′,ϕ′)⋅n⃗(θ,ϕ)\begin{align*} \langle\sigma_{\alpha^+}\rangle&=\langle\psi(\theta',\phi')\vert\sigma_{\alpha^+}\vert\psi(\theta',\phi')\rangle\\ &=\begin{pmatrix}\cos\frac{\theta'}{2}& e^{-i\phi'}\sin\frac{\theta'}{2}\end{pmatrix} \begin{pmatrix} \cos\theta & e^{-i\phi}\sin\theta\\ e^{i\phi}\sin\theta & -\cos\theta \end{pmatrix} \begin{pmatrix}\cos\frac{\theta'}{2}\\ e^{i\phi'}\sin\frac{\theta'}{2}\end{pmatrix} \\ &=\cos\theta\cos\theta'+\sin\theta\sin\phi\sin\theta'\sin\phi'+\sin\theta\cos\phi\sin\theta'\cos\phi'\\ &=\vec n(\theta',\phi')\cdot\vec{n}(\theta,\phi) \end{align*}

Ps:为不引起歧义,我们称 σα+\sigma_{\alpha^+} 为球投影算子,相对 Bloch 球的几何而言,注意与量子态的投影算子 Pα+P_{\alpha^+} 区分:

σα+=∣α+⟩⟨α+∣−∣α−⟩⟨α−∣Pα+=∣α+⟩⟨α+∣\begin{align*} \sigma_{\alpha^+} &=\vert\alpha^+\rangle\langle\alpha^+\vert-\vert\alpha^-\rangle\langle\alpha^-\vert\\ P_{\alpha^+}&=\vert\alpha^+\rangle\langle\alpha^+\vert \end{align*}

泡利矩阵

特别地,将坐标轴正方向的球投影算子 σx,σy,σz\sigma_x,\sigma_y,\sigma_z 称为泡利矩阵,由定义得,泡利矩阵 σz\sigma_z

σz=∣0⟩⟨0∣−∣1⟩⟨1∣=(10)(10)−(01)(01)=(100−1)\begin{align*} \sigma_z&=\vert 0\rangle\langle 0\vert-\vert 1\rangle\langle 1\vert\\ &=\begin{pmatrix}1\\ 0\end{pmatrix} \begin{pmatrix}1& 0\end{pmatrix} - \begin{pmatrix}0\\ 1\end{pmatrix} \begin{pmatrix}0& 1\end{pmatrix}\\ &=\begin{pmatrix} 1 & 0\\ 0 & -1 \end{pmatrix} \end{align*}

同理可求得 σx\sigma_x 和 σy\sigma_y 为

σx=(0110), σy=(0−ii0) \sigma_x = \begin{pmatrix} 0 & 1\\ 1 & 0 \end{pmatrix},\ \sigma_y = \begin{pmatrix} 0 & -i\\ i & 0 \end{pmatrix}

纯态 ∣ψ⟩\vert\psi\rangle 的 Bloch 向量可由泡利矩阵量得到

n⃗=(⟨σx⟩,⟨σy⟩,⟨σz⟩)\vec{n} = (\langle\sigma_x\rangle,\langle\sigma_y\rangle,\langle\sigma_z\rangle)

其中 ⟨σx⟩,⟨σy⟩,⟨σz⟩\langle\sigma_x\rangle,\langle\sigma_y\rangle,\langle\sigma_z\rangle 为 ∣ψ⟩\vert\psi\rangle 的测量期望。

直觉上,泡利矩阵提供物理量子系统 C2\mathbb{C}^2 的坐标系。
实际上,记 σ⃗=(σx,σy,σz)\vec\sigma=(\sigma_x,\sigma_y,\sigma_z) ,则有

σα+=(cos⁡θe−iϕsin⁡θeiϕsin⁡θ−cos⁡θ)=(cos⁡θ(cos⁡ϕ−isin⁡ϕ)sin⁡θ(cos⁡ϕ+isin⁡ϕ)sin⁡θ−cos⁡θ)=sin⁡θcos⁡ϕ⋅σx+sin⁡θsin⁡ϕ⋅σy+cos⁡θ⋅σz=(sin⁡θcos⁡ϕ,sin⁡θsin⁡ϕ,cos⁡θ)⋅(σx,σy,σz)=n⃗(θ,ϕ)⋅σ⃗\begin{align*} \sigma_{\alpha^+} &= \begin{pmatrix} \cos\theta & e^{-i\phi}\sin\theta\\ e^{i\phi}\sin\theta & -\cos\theta \end{pmatrix}\\ &= \begin{pmatrix} \cos\theta & (\cos\phi-i\sin\phi)\sin\theta\\ (\cos\phi+i\sin\phi)\sin\theta & -\cos\theta \end{pmatrix}\\ &=\sin\theta\cos\phi\cdot\sigma_x + \sin\theta\sin\phi\cdot\sigma_y+\cos\theta\cdot\sigma_z\\ &=(\sin\theta\cos\phi,\sin\theta\sin\phi,\cos\theta)\cdot(\sigma_x,\sigma_y,\sigma_z)\\ &=\vec{n}(\theta,\phi)\cdot\vec\sigma \end{align*}

向量 n⃗\vec{n} 与 σ⃗\vec\sigma 点积,得到 n⃗\vec n 方向的球投影算子 σα+\sigma_{\alpha^+} 。


混合态与 Bloch 球

C2\mathbb{C}^2 的量子态与 Bloch 球的向量一一对应,其中纯态对应 Bloch 球面,混合态对应 Bloch 球内点,下边通过“坐标分解”建立这一对应。

坐标分解

回顾上篇:

  • 混合态用密度矩阵 ρ\rho 表示
  • H\mathcal{H} 上的密度矩阵全体记为 S(H)\mathcal{S}(\mathcal{H})
  • S(H)\mathcal{S}(\mathcal{H}) 与量子态一一对应,其中秩为 1 的部分对应纯态
  • 密度矩阵 ρ\rho 由下边三条性质等价刻画:
    1. ρ†=ρ\rho^\dagger=\rho
    2. ρ\rho 为半正定矩阵
    3. Tr(ρ)=1Tr(\rho)=1

借助泡利矩阵,我们给出密度矩阵 ρ∈S(C2)\rho\in\mathcal{S}(\mathbb{C}^2) 的坐标分解:

  1. 记 I=(1001)I=\begin{pmatrix}1 & 0\\ 0 & 1\end{pmatrix} 为单位矩阵,则 {I,σx,σy,σz}\{I,\sigma_x,\sigma_y,\sigma_z\} 作成 EndC(H)End_\mathbb{C}(\mathcal{H}) 的一组基元,设:

    ρ=bxσx+byσy+bzσz+b0I,bx,by,bz,b0∈C\rho=b_x\sigma_x+b_y\sigma_y+b_z\sigma_z+b_0I,\quad b_x,b_y,b_z,b_0\in\mathbb{C}

  2. 断言 bx,by,bz,b0b_x,b_y,b_z,b_0 为实数,由于

    ρ†=ρ⇒ bxσx+byσy+bzσz+b0I=bx∗σx+by∗σy+bz∗σz+b0∗I⇒ (bx−bx∗)σx+(by−by∗)σy+(bz−bz∗)σz+(b0−b0∗)I=0⇒ bx−bx∗=by−by∗=bz−bz∗=b0−b0∗=0\begin{align*} &\rho^\dagger=\rho \\ \Rightarrow &\ b_x\sigma_x+b_y\sigma_y+b_z\sigma_z+b_0I = b_x^*\sigma_x+b_y^*\sigma_y+b_z^*\sigma_z+b_0^*I\\ \Rightarrow &\ (b_x-b_x^*)\sigma_x+(b_y-b_y^*)\sigma_y+(b_z-b_z^*)\sigma_z+(b_0-b_0^*)I = 0\\ \Rightarrow &\ b_x-b_x^*=b_y-b_y^*=b_z-b_z^*=b_0-b_0^*=0 \end{align*}

  3. 由 Tr(ρ)=1Tr(\rho)=1 得 b0=12b_0=\frac{1}{2},将 ρ\rho 写为如下形式

    ρ=12(axσx+ayσy+azσz+I)=12((ax,ay,az)⋅σ⃗+I)=12(n⃗⋅σ⃗+I),n⃗∈R3\begin{align*} \rho&=\frac 12(a_x\sigma_x+a_y\sigma_y+a_z\sigma_z+I)\\ &=\frac 12\left((a_x,a_y,a_z)\cdot \vec{\sigma}+ I\right)\\ &=\frac 12\left(\vec{n}\cdot \vec{\sigma}+ I\right),\quad \vec{n}\in \mathbb{R}^3 \end{align*}

  4. 易见 n⃗⋅σ⃗\vec{n}\cdot\vec\sigma 的特征值为 ±∥n⃗∥\pm\Vert \vec{n}\Vert ,进而 ρ\rho 的特征值为 ±∥n⃗∥+12\frac{\pm\Vert \vec{n}\Vert+1}{2},再由 ρ\rho 的半正定性,得

    ±∥n⃗∥+12≥0, i.e. ∥n⃗∥≤1\frac{\pm\Vert \vec{n}\Vert+1}2\geq0,\ i.e.\ \Vert\vec{n}\Vert\leq 1

综上,密度矩阵标准形式为

ρ=12(n⃗⋅σ⃗+I),n⃗∈B3\rho=\frac 12\left(\vec{n}\cdot \vec{\sigma}+ I\right),\quad \vec{n}\in \mathbb{B}^3

其中 B3\mathbb{B}^3 为三维空间的单位球。
反之,易见上述形式给出的 ρ\rho 为密度矩阵,于是建立对应关系:

S(C2)⟶∼B3ρ=12(n⃗⋅σ⃗+I)⟼n⃗\begin{align*} \mathcal{S}(\mathbb{C}^2)&\overset{\sim}{\longrightarrow}\mathbb{B}^3\\ \rho=\frac 12\left(\vec{n}\cdot \vec{\sigma}+ I\right)&\longmapsto \vec n \end{align*}

定义相容性

前边将纯态 ∣ψ⟩\vert\psi\rangle 与 Bloch 球面建立对应;注意到纯态也可以通过密度矩阵建立和 Bloch 球的对应,下边式子说明两种方式得到同一对应。

∣ψ(θ,ϕ)⟩=(cos⁡θ2eiϕsin⁡θ2)ρ=∣ψ⟩⟨ψ∣=(cos⁡θ2eiϕsin⁡θ2)(cos⁡θ2e−iϕsin⁡θ2)  =(cos⁡θ+12e−iϕsin⁡θ2eiϕsin⁡θ2cos⁡θ+12)  =12(n⃗(θ,ϕ)⋅σ⃗+I)\begin{align*} &\vert\psi(\theta,\phi)\rangle=\begin{pmatrix}\cos\frac{\theta}{2}\\ e^{i\phi}\sin\frac{\theta}{2}\end{pmatrix} \\ &\rho = \vert\psi\rangle\langle\psi\vert=\begin{pmatrix}\cos\frac{\theta}{2}\\ e^{i\phi}\sin\frac{\theta}{2}\end{pmatrix}\begin{pmatrix}\cos\frac{\theta}{2}& e^{-i\phi}\sin\frac{\theta}{2}\end{pmatrix}\\ &\ \ =\begin{pmatrix} \frac{\cos\theta+1}{2} & e^{-i\phi}\frac{\sin\theta}2\\ e^{i\phi}\frac{\sin\theta}2 & \frac{\cos\theta+1}{2} \end{pmatrix}\\ &\ \ =\frac 12\left(\vec{n}(\theta,\phi)\cdot \vec{\sigma}+ I\right) \end{align*}

两种途径定义的 Bloch 向量都是

n⃗(θ,ϕ)=(sin⁡θcos⁡ϕ,sin⁡θsin⁡ϕ,cos⁡θ)\vec n(\theta,\phi) = (\sin\theta\cos\phi,\sin\theta\sin\phi,\cos\theta)

此外,球投影算子 σα+\sigma_{\alpha^+} 对混合态的测量期望仍是 Bloch 向量在 α+\alpha^+ 方向上的投影。以 σx\sigma_x 为例,由密度矩阵的测量公式,得

⟨σx⟩=Tr(σxρ)=Tr(12σx(n⃗⋅σ⃗+I))=Tr(12σx(axσx+ayσy+azσz+I))=Tr(12(axI+iayσz−iazσy+σx))=Tr(ax2I)=ax\begin{align*} \langle\sigma_{x}\rangle&=Tr(\sigma_{x}\rho)\\ &=Tr\left(\frac 12\sigma_{x}\left(\vec{n}\cdot \vec{\sigma}+ I\right)\right)\\ &=Tr\left(\frac 12\sigma_{x}\left(a_x\sigma_x+a_y\sigma_y+a_z\sigma_z+ I\right)\right)\\ &=Tr\left(\frac 12\left(a_xI+ia_y\sigma_z-ia_z\sigma_y+ \sigma_x\right)\right)\\ &=Tr(\frac{a_x}2I)=a_x \end{align*}

axa_x 为 Bloch 向量 n⃗\vec{n} 的 x 轴坐标,也即 n⃗\vec n 在 x 轴方向上的投影。

谱分解与完全混合态

下边从量子态和 Bloch 球两个角度,理解密度矩阵的谱分解和完全混合态。

从 S(H)\mathcal{S}(\mathcal{H}) 上看

  1. 凸线性组合
    称 x=∑i=1rλixix=\sum\limits_{i=1}^r\lambda_ix_i 为向量集 {xi}i=1r\{x_i\}_{i=1}^r 的一个凸线性组合,若 λi≥0\lambda_i\geq 0 且 ∑i=1rλi=1\sum\limits_{i=1}^r\lambda_i=1 。
    易见密度矩阵的凸线性组合仍是密度矩阵。

  2. 密度矩阵为正规矩阵,做谱分解

    ρ=∑i=1rλi∣λi⟩⟨λi∣=∑i=1rλiρi\begin{align*} \rho&=\sum_{i=1}^r \lambda_i\vert\lambda_i\rangle\langle\lambda_i\vert\\ &=\sum_{i=1}^r\lambda_i\rho_i \end{align*}

    其中 ρi=∣λi⟩⟨λi∣\rho_i=\vert\lambda_i\rangle\langle\lambda_i\vert 为纯态的密度矩阵,ρ\rho 为纯态 {ρi}i=1r\{\rho_i\}_{i=1}^r 的凸线性组合。 一般来说,纯态 ρi\rho_i 的取法不唯一。

  3. 考虑 ρ∈S(C2)\rho\in\mathcal{S}(\mathbb{C}^2),此时 ρ=λ1ρ1+λ2ρ2\rho=\lambda_1\rho_1+\lambda_2\rho_2,由“不同特征值的特征向量线性无关”知:

    • 当 ρ≠12I\rho\neq \frac 12I 时,ρ1\rho_1 和 ρ2\rho_2 唯一确定
    • 当 ρ=12I\rho = \frac 12I 时,必有 λ1=λ2=12\lambda_1=\lambda_2=\frac 12 且 ρ1\rho_1 和 ρ2\rho_2 可取任意两个正交态,此时称 ρ\rho 为完全混合态

从 Bloch 球上看

  1. 密度矩阵的凸线性组合,对应 Bloch 向量的凸线性组合

    ρ1=12(n1⃗⋅σ⃗+I)ρ2=12(n2⃗⋅σ⃗+I)⇒ρ=λ1ρ1+λ2ρ2=12((λ1n1⃗+λ2n2⃗)⋅σ⃗+I)⇒n⃗=λ1n1⃗+λ2n2⃗\begin{align*} \rho_1&=\frac 12\left(\vec{n_1}\cdot \vec{\sigma}+ I\right)\\ \rho_2&=\frac 12\left(\vec{n_2}\cdot \vec{\sigma}+ I\right)\\ \Rightarrow\rho&=\lambda_1\rho_1+\lambda_2\rho_2\\ &=\frac 12\left((\lambda_1\vec{n_1}+\lambda_2\vec{n_2})\cdot \vec{\sigma}+ I\right)\\ \Rightarrow\vec n&=\lambda_1\vec{n_1}+\lambda_2\vec{n_2} \end{align*}

  2. 从 Bloch 球 B3\mathbb{B}^3 上看:

    • 谱分解将 Bloch 向量 n⃗\vec{n} 分解为方向相反的两个球面向量 n⃗−,n⃗+\vec{n}^-,\vec{n}^+(正交=反向,纯态=球面)
    • 当 n⃗≠0\vec n\neq 0 时, n⃗−,n⃗+\vec{n}^-,\vec{n}^+ 唯一确定,为 n⃗\vec{n} 所在直线与 Bloch 球面的两个交点
    • 当 n⃗=0\vec n= 0 为 Bloch 球原点时,n⃗\vec n 可分解为任意两个方向相反的球面向量,对应完全混合态

酉变换

回顾上篇,演化算子 UU 是酉算子,作用量子态上:

  • 向量形式 ∣ψ⟩→U∣ψ⟩\vert\psi\rangle \rightarrow U\vert\psi\rangle
  • 密度矩阵形式 ρ→UρU†\rho\rightarrow U\rho U^\dagger

注意到球投影算子 σα+\sigma_{\alpha^+} 不仅满足 Hermitian 性质,还是个酉算子,因而可作用在量子态上。

从 Bloch 球上看,σα+\sigma_{\alpha^+} 的作用效果是将空间绕 x 轴旋转 180°180\degree。以 σx\sigma_x 为例:

let ρ=12(n⃗⋅σ⃗+I)σxρσx†=12σx(n⃗⋅σ⃗+I)σx=12(n⃗⋅σxσ⃗σx+I)=12((nx,ny,nz)⋅(σx,−σy,−σz)+I)=12((nx,−ny,−nz)⋅σ⃗+I)(nx,ny,nz)⟶rotate 180°(nx,−ny,−nz)\begin{align*} let\ \rho &= \frac 12\left(\vec{n}\cdot \vec{\sigma}+ I\right)\\ \sigma_x\rho\sigma_x^\dagger&=\frac 12\sigma_x\left(\vec{n}\cdot \vec{\sigma}+ I\right)\sigma_x\\ &=\frac 12\left(\vec{n}\cdot \sigma_x\vec{\sigma}\sigma_x+ I\right)\\ &=\frac 12\left((n_x,n_y,n_z)\cdot (\sigma_x,-\sigma_y,-\sigma_z)+ I\right)\\ &=\frac 12\left((n_x,-n_y,-n_z)\cdot \vec{\sigma}+ I\right)\\ (n_x,n_y,n_z)&\overset{rotate\ 180\degree}{\longrightarrow} (n_x,-n_y,-n_z) \end{align*}

思考题:C2\mathbb{C}^2 上既能当成测量,又能当成演化的算子有哪些?或者判断正误:

{σα+∣α+∈S2}=?{σ∈End(C2)∣σ=σ†=σ−1}\{\sigma_{\alpha^+}\mid\alpha^+\in S^2\}\overset{?}=\{\sigma\in End(\mathbb{C}^2)\mid \sigma=\sigma^\dagger=\sigma^{-1}\}

Ps:本节提到了三类算子,注意区分

  • 密度矩阵:Hermitian + 半正定 + 迹为 1
  • 测量算子:Hermitian
  • 演化算子:Unitary
  • σα+\sigma_{\alpha^+}, 视语境可能是测量算子,也可能是演化算子
  • Pα=∣α+⟩⟨α+∣P_\alpha=\vert\alpha^+\rangle\langle\alpha^+\vert,视语境可能是投影算子,也可能是纯态的密度矩阵

总结

本篇建立 C2\mathbb{C}^2 量子态与 Bloch 球的对应,通过 Bloch 球的几何性质理解量子态,主要内容:

  1. 量子比特 ∣0⟩\vert 0\rangle 和 ∣1⟩\vert 1\rangle
  2. 纯态 ∣ψ⟩\vert\psi\rangle 标准化,与 Bloch 球面建立对应
  3. 正交的量子态对应 Bloch 球面方向相反的向量,导出“球投影算子”
  4. 球投影算子导出泡利矩阵,提供量子系统的“坐标系”
  5. 借助泡利矩阵,将密度矩阵做“坐标分解”,建立与 Bloch 球的对应
  6. 进一步讨论:谱分解,完全混合态,测量 + 酉变换

关于 Bloch 球

  1. Bloch 球只能表示 C2\mathbb{C}^2 的量子态,更高维数的量子系统很难找到类似 Bloch 球这样精巧的对应。
  2. C2n\mathbb{C}^{2^n} 的分离态可用多个 Bloch 球表示。因此一些特殊的量子门,比如 Walsh-Hadamard 门和量子傅里叶变换,其作用在分离态后仍得到分离态,可用 Bloch 球演示变化过程。
  3. 对一般的量子门,如果将分离态变换为纠缠态,就无法用 Bloch 球演示了。

拓展-MUB 问题

Bloch 球的几何直观可用于解决一些难题,比如清华视频课里提到的 MUB 问题(Mutually unbiased bases):

称希尔伯特空间 Hd=Cd\mathcal{H_d}=\mathbb{C}^d 的两组标准正交基 {∣ψi⟩}i=1d,{∣φi⟩}i=1d\{\vert\psi_i\rangle\}_{i=1}^d,\{\vert\varphi_i\rangle\}_{i=1}^d 为“两两平等基”,若

∣⟨φj∣ψi⟩∣2=1d ,∀ i,j|\langle\varphi_j\vert\psi_i\rangle|^2=\frac{1}{d}\ ,\quad \forall\ i,j

d = 2 时,由 Bloch 球性质易证,存在三组基元,两两作成 MUB,比如取坐标轴向量

{∣0⟩,∣1⟩},{∣+⟩,∣−⟩},{∣+i⟩,∣−i⟩}\{\vert 0\rangle,\vert 1\rangle\},\{\vert +\rangle,\vert -\rangle\},\{\vert +i\rangle,\vert -i\rangle\}

设 Hd\mathcal{H}_d 上这样的基元有 M(d)\mathfrak{M}(d) 组,以下问题还是开问题:

  • 是否有 M(d)≥2, ∀ d\mathfrak{M}(d)\geq 2,\ \forall\ d
  • 计算 M(d)\mathfrak{M}(d)

已有结论:

M(N)=N+1if N=pr, where p is prime\mathfrak{M}(N)=N+1\quad if\ N=p^r,\ where\ p\ is\ prime

比如 M(2)=3,M(3)=4,M(4)=5\mathfrak{M}(2)=3,\mathfrak{M}(3)=4,\mathfrak{M}(4)=5,但 M(6)\mathfrak{M}(6) 还未知。

参考维基:Mutually_unbiased_bases

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