3
0

Delete article

Deleted articles cannot be recovered.

Draft of this article would be also deleted.

Are you sure you want to delete this article?

More than 1 year has passed since last update.

この記事について

本稿は、単なる計算メモですので、あまり内容は有りません。(計算過程をメモしています)
X基底(アダマール基底)は、Z基底(計算基底)で下記のように表されるのは良く知られています。

% basic braket 
\newcommand{\bra}[1]{\left\langle #1 \right|}
\newcommand{\ket}[1]{\left| #1 \right\rangle}
\newcommand{\bracket}[2]{\left\langle #1 \middle| #2 \right\rangle}
\newcommand{\ketbra}[2]{\left| #1 \right\rangle \left\langle #2 \right|}
\newcommand{\ketbraket}[3]{\left| #1 \right\rangle \left\langle #2 \middle| #3 \right\rangle}
% small-size
\newcommand{\bras}[1]{\left\langle {\scriptsize #1}  \right|}
\newcommand{\kets}[1]{\left| {\scriptsize #1}  \right\rangle}
\newcommand{\brackets}[2]{\left\langle {\scriptsize #1} \middle| {\scriptsize #2} \right\rangle}
\newcommand{\ketbras}[2]{\left| {\scriptsize #1} \right\rangle \left\langle {\scriptsize #2} \right|}
\newcommand{\ketbrakets}[3]{\left| {\scriptsize #1} \right\rangle \left\langle {\scriptsize #2} \middle| {\scriptsize #3} \right\rangle}
% Matrix
\newcommand{\tate}[2]{\begin{bmatrix} #1 \\ #2 \end{bmatrix}}
\newcommand{\yoko}[2]{\begin{bmatrix} #1 & #2 \end{bmatrix}}
\newcommand{\mtrx}[4]{\begin{bmatrix} #1 & #2 \\ #3 & #4 \end{bmatrix}}
\kets{+} = \frac{\ket{0} + \ket{1}}{\sqrt{2}}
\ \ \ \ 
\kets{-} = \frac{\ket{0} - \ket{1}}{\sqrt{2}}

一方で、Z基底(計算基底)は、X基底(アダマール基底)を用いると

\ket{0} = \frac{\kets{+} + \kets{-}}{\sqrt{2}}
\ \ \ \ 
\ket{1} = \frac{\kets{+} - \kets{-}}{\sqrt{2}}

上記のような、$X→Z、Z→X$の基底の書き換えが、計算上必要なタイミングもあるので、こちらの記事でパウリゲートを各基底で書き下したのと同様に整理しておきたいと思います。
また、他の量子コンピュータ関係の他の記事は、下記で紹介しています。

最初に結論から

Z基底

計算してみると、$Z$基底を$Y$基底で表現すると、$\ket{1}$のときに分母に$i$が付きます。

\displaylines{
\ket{0}
\ \ 
=
\ \ 
\frac{\kets{+} + \kets{-}}{\sqrt{2}}
\ \ 
=
\ \ 
\frac{\ket{i} + \ket{i-}}{\sqrt{2}}
\\
\ket{1}
\ \ 
=
\ \ 
\frac{\kets{+} - \kets{-}}{\sqrt{2}}
\ \ 
=
\ \ 
\frac{\ket{i} - \ket{i-}}{\sqrt{2}i}
}

X基底

$X$基底も、$\ket{0},\ket{1}$での表現はよく見ますが、$Y$基底で書き下すと下記となります。

\displaylines{
\kets{+}
\ \ 
=
\ \ 
\frac{\ket{0} + \ket{1}}{\sqrt{2}}
\ \ 
=
\ \ 
\frac{1-i}{2}\ket{i} + \frac{1+i}{2}\ket{i-}
\\
\kets{-}
\ \ 
=
\ \ 
\frac{\ket{0} - \ket{1}}{\sqrt{2}}
\ \ 
=
\ \ 
\frac{1+i}{2}\ket{i} + \frac{1-i}{2}\ket{i-}
}

Y基底

同様に、$Y$基底も、$\ket{0},\ket{1}$での表現はよく見ますが、$Y$基底で書き下すと下記となります。

\displaylines{
\ket{i}
\ \ 
=
\ \ 
\frac{\ket{0} + i\ket{1}}{\sqrt{2}}
\ \ 
=
\ \ 
\frac{1+i}{2}\kets{+} + \frac{1-i}{2}\kets{-}
\\
\ket{i-}
\ \ 
=
\ \ 
\frac{\ket{0} - i\ket{1}}{\sqrt{2}}
\ \ 
=
\ \ 
\frac{1-i}{2}\kets{+} + \frac{1+i}{2}\kets{-}
}

計算しておく

Z基底

X基底で表す

\kets{+} = \frac{\ket{0} + \ket{1}}{\sqrt{2}}
\ \ \ \ 
\kets{-} = \frac{\ket{0} - \ket{1}}{\sqrt{2}}

|0⟩の計算

\kets{+} + \kets{-} = \frac{\ket{0} + \ket{1} + \ket{0} - \ket{1}}{\sqrt{2}} = \frac{2}{\sqrt{2}}{\ket{0}}

右辺の$\ket{0}$について整理すると

\ket{0} = \frac{\sqrt{2}}{2}(\kets{+} + \kets{-}) = \frac{\kets{+} + \kets{-}}{\sqrt{2}}

|1⟩の計算

同様に、

\kets{+} - \kets{-} = \frac{\ket{0} + \ket{1} - \ket{0} + \ket{1}}{\sqrt{2}} = \frac{2}{\sqrt{2}}{\ket{1}}

右辺の$\ket{0}$について整理すると

\ket{1} = \frac{\sqrt{2}}{2}(\kets{+} - \kets{-}) = \frac{\kets{+} - \kets{-}}{\sqrt{2}}

Y基底で表す

\ket{i} = \frac{\ket{0} + i\ket{1}}{\sqrt{2}}
\ \ \ \ 
\ket{i-} = \frac{\ket{0} - i\ket{1}}{\sqrt{2}}

|0⟩の計算

\ket{i} + \ket{i-} = \frac{\ket{0} + i\ket{1} + \ket{0} - i\ket{1}}{\sqrt{2}} = \frac{2}{\sqrt{2}}{\ket{0}}

右辺の$\ket{0}$について整理すると

\ket{0} = \frac{\sqrt{2}}{2}(\ket{i} + \ket{i-}) = \frac{\ket{i} + \ket{i-}}{\sqrt{2}}

|1⟩の計算

同様に、

\ket{i} - \ket{i-} = \frac{\ket{0} + i\ket{1} - \ket{0} + i\ket{1}}{\sqrt{2}} = \frac{2i}{\sqrt{2}}{\ket{1}}

右辺の$\ket{0}$について整理すると

\ket{1} = \frac{\sqrt{2}}{2i}(\ket{i} - \ket{i-}) = \frac{\ket{i} - \ket{i-}}{\sqrt{2}i}

X基底

「Z基底で表す」は省略し、Y基底での計算がどうなるかだけ確認しておきます。

Y基底で表す

\kets{+} = \frac{\ket{0} + \ket{1}}{\sqrt{2}}
\ \ \ \ 
\kets{-} = \frac{\ket{0} - \ket{1}}{\sqrt{2}}
\ \ \ \
\ket{0} =  \frac{\ket{i} + \ket{i-}}{\sqrt{2}}
\ \ \ \ 
\ket{1} =  \frac{\ket{i} - \ket{i-}}{\sqrt{2}i}

|+⟩の計算

\kets{+} = \frac{1}{\sqrt{2}}(\ket{0} + \ket{1}) 
= \frac{1}{\sqrt{2}}\left( \frac{1}{\sqrt{2}}(\ket{i} + \ket{i-})+\frac{1}{\sqrt{2}i}(\ket{i} - \ket{i-})\right)

両辺に、$i$を掛けると

i\kets{+} = \frac{1}{2}\left(i\ket{i} + i\ket{i-} + \ket{i} - \ket{i-}\right)
= \frac{i+1}{2}\ket{i} + \frac{i-1}{2}\ket{i-}

右辺の$\kets{+}$について整理すると

\kets{+} = \frac{i+1}{2i}\ket{i} + \frac{i-1}{2i}\ket{i-}
= \frac{-1+i}{-2}\ket{i} - \frac{-1-i}{-2}\ket{i-}

よって、

\kets{+} = \frac{1-i}{2}\ket{i} + \frac{1+i}{2}\ket{i-}

|-⟩の計算

\kets{-} = \frac{1}{\sqrt{2}}(\ket{0} - \ket{1}) 
= \frac{1}{\sqrt{2}}\left( \frac{1}{\sqrt{2}}(\ket{i} + \ket{i-})-\frac{1}{\sqrt{2}i}(\ket{i} - \ket{i-})\right)

両辺に、$i$を掛けると

i\kets{-} = \frac{1}{2}\left(i\ket{i} + i\ket{i-} - \ket{i} + \ket{i-}\right)
= \frac{i-1}{2}\ket{i} + \frac{i+1}{2}\ket{i-}

以下、$\kets{+}$と同様に、$\kets{-}$について整理すると

\kets{-} = \frac{1+i}{2}\ket{i} + \frac{1-i}{2}\ket{i-}

Y基底

「Z基底で表す」は省略し、Y基底での計算がどうなるかだけ確認しておきます。

X基底で表す

\ket{i} = \frac{\ket{0} + \ket{1}}{\sqrt{2}}
\ \ \ \ 
\ket{i-} = \frac{\ket{0} - i\ket{1}}{\sqrt{2}}
\ \ \ \
\ket{0} = \frac{\kets{+} + \kets{-}}{\sqrt{2}}
\ \ \ \ 
\ket{1} = \frac{\kets{+} - \kets{-}}{\sqrt{2}i}

上記を利用し、$\ket{i},\ket{i-}$について、上記の計算と同様に整理をすると下記が得られます。

\ket{i} = \frac{1+i}{2}\kets{+} + \frac{1-i}{2}\kets{-}
\ \ \ \ 
\ket{i-} = \frac{1-i}{2}\kets{+} + \frac{1+i}{2}\kets{-}

まとめ

あまり内容(意味論)のない議論ですが、計算過程をメモっておきました。
Z基底をX基底で計算したいとか、X基底をZ基底で計算したいというケースがあれば。。
Y基底で計算することはあまり多くない気もしますが、一応メモとして残しております。

3
0
0

Register as a new user and use Qiita more conveniently

  1. You get articles that match your needs
  2. You can efficiently read back useful information
  3. You can use dark theme
What you can do with signing up
3
0

Delete article

Deleted articles cannot be recovered.

Draft of this article would be also deleted.

Are you sure you want to delete this article?