量子布洛赫球的物理原理

量子布洛赫球(Bloch Sphere)是一个三维的球体,球面上所有的点均对应一个量子态(事实上球体内部也可以表示量子态,不过,不是纯态而已)。 单比特量子态一般由一个2维的复数矢量来表示,而在提取出一个全局相位之后,则可以用一个3维的实数向量来表示,因此用三维的球体描述单比特量子态是完备的。

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经典计算机中经典比特的取值是0态或者1态的一种,而量子比特除了0态或者1态还可以处于0和1之间的叠加态。 在Bloch球定义:z轴正方向与球表面相交点为0态,z轴负方向与球面相交点1态。 经典比特只处于如上两个交点中的一点,而量子比特则可以处于整个球面上的任意一点。譬如,如x轴和y轴上的点,就是叠加态。 球面上不同的点,表示其对应的0态和1态的概率幅不同。

在Quantum Bloch 游戏中, 您需要选择合适的单比特量子门操作,使得最终达到目标量子态(或附近),即为通关! 当然,这需要您发挥一些空间想象力。 现在,请开始您的Quantum Bloch游戏之行吧!

密室逃脱的物理原理整体介绍

量子密室逃脱游戏,主要涉及了量子纠缠、两个量子比特的基本门操作、以及量子隐形传态,玩家通关后将初步掌握量子计算相关知识。

第一关:找到薛定谔的猫

第一关中所演示的硬币实验,我们约定硬币代表一个二能级量子系统,其正方面分别代表量子系统的0态和1态。 一开始,我们假定两枚硬币分别处于正面和反面关联的贝尔纠缠态。当我们随机的对换硬币位置时,随机选取一个杯子,此时杯子中硬币的状态并不确定。 当我们观测其中的一个杯子(对应量子体系的测量),则一个杯子中硬币的状态也坍缩到对应的状态。这一关,是为了展示量子纠缠这种关联性质。

第二关:单比特操作

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第二关中主要演示了单比特门的操作,多比特门的功能暂时不允许。 从量子算法的角度来说,所有的量子门都可以分解为一系列CNOT门和单比特操作门的组合。(每一关的提示,应该放到该关的开头)。 在第二、三关中,我们需要通过了解每个量子门操作对应的量子态变换,通过合适的量子门操作(一步或者多步)来使得钥匙上的量子态矢量对应的概率幅跟密码提示中的一致,从而顺利通关。

第三关:多比特和多步骤操作

第三关中主要的难点在于贝尔纠缠态的制备,关于这一点,我们已经在提示中给出。

第四关:量子隐形传输

这一关的关键是找清所需操作的量子比特位,以及跟量子电路所对应的量子操作的顺序。

量子隐形传态原理:
离子A和离子C相隔很远,不能同时操作。离子B和离子C一开始处于贝尔纠缠态。 离子A和离子B处于同一位置。Teleportation是为了通过对ABC的操作使得将A的量子态传送到C,具体的流程如下:
1. 将A和B在贝尔基下测量,得到四种可能的经典结果的一种。
2. 将经典测量结果发送给C。
3. 根据测量结果,对C做相应的操作便可以在C处复原A原始的量子态。

窃听者,无法从测量坍缩后的量子态A还原出其最初的量子态信息,因为量子隐形传态从原理是上绝对安全的。

第五关: 量子复现(revival)

跟上一关类似,你可以使用三步操作来完成这一关。特别注意操作量子位的顺序。