Qubit, mathematical formalism

Qubit, mathematical formalism

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Quantic bit

  • Es un sistema físico con tamaño y ubicación en el espacio.
  • Se rige por las leyes de la física cuántica.
  • Poseé la cualidad que le permite estar en un estado o en ambos al mismo tiempo.

Para representar los qubits de manera cuántica se utiliza la notación de Dirac, también conocida como notación bra-ket, ya que nos permite escribir los vectores de forma corta. La base computacional esta formada por los estados ∣0⟩| 0 \rangle y ∣1⟩| 1 \rangle, en notación de Dirac, y se pueden leer como ”ket 0” y ”ket 1” respectivamente. Además, estos estados son ortogonales entre sí.

Hay que tener en cuenta que cada elemento de la base computacional representa un vector de estado:

∣0⟩=[10],∣1⟩=[01]egin{matrix} ket{0} = egin{bmatrix} 1 \ 0 end{bmatrix}, & ket{1} = egin{bmatrix} 0 \ 1 end{bmatrix} end{matrix}

Entonces, vamos a definir a un qubit como la superposición de los estados base, es decir, podemos expresar un qubit como la combinación líneal de ∣0⟩|0 \rangle y ∣1⟩|1 \rangle:

∣ψ⟩=C0[10]+C1[01]⏟Estado de superposicioˊn=[C0C1]ket{psi} = underbrace{C_0 egin{bmatrix} 1 \ 0 end{bmatrix} + C_1 egin{bmatrix} 0 \ 1 end{bmatrix}}_{ ext{Estado de superposición}} = egin{bmatrix} C_0 \ C_1 end{bmatrix}

Postulados de la mecánica cuántica

Estado del sistema

Toda la informacón del qubit esta contenida en un objeto matemático llamado Vector de estado, denotado por ∣ψ⟩|\psi \rangle:

∣ψ⟩=[C0C1]∣0⟩∣1⟩⏟vector columna⟵Vector de estadoket{psi} = underbrace{egin{bmatrix} C_0 \ C_1 end{bmatrix} egin{matrix} ket{0} \ ket{1} end{matrix}}_{ ext{vector columna}} longleftarrow ext{Vector de estado}

Los coeficientes que acompañan a los estados ∣0⟩|0 \rangle y ∣1⟩|1 \rangle del qubit pertenecen a los números complejos:

{ [C0C1]  |  C0,C1∈C }Set{ egin{bmatrix} C_0 \ C_1 end{bmatrix} | C_0, C_1 in mathbb{C}}

Usamos C0C_0 para obtener la probabilidad de medir 0 en el qubit cuando se encuentra en el estado ∣ψ⟩| \psi \rangle:

∣C0∣2=C0∗C0=Pr(0)|C_0|² = C_0^* C_0 = Pr(0)

Usamos C1C_1 para obtener la probabilidad de medir 1 en el qubit cuando se encuentra en el estado ∣ψ⟩| \psi \rangle:

∣C1∣2=C1∗C1=Pr(1)|C_1|² = C_1^* C_1 = Pr(1)

Proceso de medición

En los sistemas cúanticos, las mediciones son probabilísticas:

∣ψ⟩——↗ ↘ 0 con probabilidad Pr(0)⟷Pr(z=+1) 1 con probabilidad Pr(1)⟷Pr(z=−1)|psi angle extbf{---} extbf{---} egin{matrix} earrow ~ \ searrow ~ end{matrix} egin{matrix} 0~ ext{con probabilidad}~Pr(0)longleftrightarrow Pr(z=+1) \ ~ \ 1~ ext{con probabilidad}~Pr(1)longleftrightarrow Pr(z=-1) end{matrix}

La suma de las probabilidades debe dar 1. Por lo tanto:

∣C0∣2+∣C1∣2=1⟵condicioˊn de normalizacioˊn|C_0|² + |C_1|² = 1 longleftarrow extbf{condición de normalización}

Esto es equivalente a:

⟨ψ∣ψ⟩=1⟺[C0∗C1∗]⏟⟨ψ∣[C0C1]⏟∣ψ⟩=∣C0∣2+∣C1∣2=1langle psi | psi angle = 1 Longleftrightarrow underbrace{egin{bmatrix} C_0^* & C_1^* end{bmatrix}}_{langle psi |} underbrace{egin{bmatrix} C_0 \ C_1 end{bmatrix}}_{| psi angle} = |C_0|² + |C_1|² = 1