ブロッホ球

ブロッホ球

執筆済 量子計算

1 量子ビットの状態を、 3 次元の球面上の点として表す図。

|ψ⟩=cos⁡θ2|0⟩+eiϕsin⁡θ2|1⟩

(θ,ϕ) が球面の極座標。

主な点#

位置 状態
北極 ‖0⟩
南極 ‖1⟩
x 軸上 ‖±⟩=(‖0⟩±‖1⟩)/2
y 軸上 (‖0⟩±i‖1⟩)/2

直交する状態が対蹠点(|0⟩ と |1⟩ が北極と南極)になる点が ヒルベルト空間の直交と食い違うので注意。 角度が半分になっているため。

ゲート = 回転#

1 量子ビットゲートは、 すべてブロッホ球上の回転として表せる。

ゲート 回転
X x 軸まわり 180°
Z z 軸まわり 180°
H (x+z)/2 軸まわり 180°
Rz(θ) z 軸まわり θ

回転なので長さが保たれ、常に球面上に留まる。 これがユニタリ性の幾何的な意味。

内部は混合状態#

球の表面が純粋状態、内部が混合状態、 中心が最大混合状態。

ρ=12(I+r→⋅σ→),|r→|≤1

デコヒーレンスは 点を中心へ引き寄せる操作として描ける。 ノイズの効果を視覚化する標準的な道具。

2 量子ビット以上には使えない#

ブロッホ球が使えるのは 1 量子ビットまで。 n 量子ビットの状態空間は 2n+1−2 実次元で、 もつれを含む構造は 3 次元では描けない。

参考文献#

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