ψQuantum PL WIKITHE LANGUAGE OF QUANTUM COMPUTATIONEN
VOLUME I · Foundations

量子线路

Quantum Circuits

介绍以量子比特、门、测量和经典控制组成的量子线路及其概率语义。

量子线路是量子程序的一种图形化模型:横线表示 qubit 的时间演化,方框表示 unitary gate 或其他操作,测量把量子信息转换为 classical bit。一个线路从输入态开始,按从左到右的顺序组合操作;并行线用 tensor product 表示。线路的状态基础见量子态与量子操作,而更高层的语言可见量子编程语言。

门与纠缠示例

单比特门 HH、XX、ZZ 分别实现不同的 unitary transformation;受控门的作用取决于控制比特。Bell-state circuit 先对两个初态 ∣00⟩\lvert00\rangle 施加 H⊗IH\otimes I,再施加 CNOTCNOT:

∣00⟩→H⊗I∣00⟩+∣10⟩2→CNOT∣00⟩+∣11⟩2.\lvert00\rangle\xrightarrow{H\otimes I} \frac{\lvert00\rangle+\lvert10\rangle}{\sqrt2} \xrightarrow{CNOT} \frac{\lvert00\rangle+\lvert11\rangle}{\sqrt2}.

最后在计算基测量,结果 00 与 11 各以概率 1/21/2 出现。该相关性不能被两个独立的单比特概率分布完整描述。

测量、分支与经典控制

测量不是普通的 unitary gate。若测量结果写入 classical register,后续线路可按结果选择不同 gate;若结果被 discard,则相应的 density-matrix 变换是所有分支的非相干和。例如测量 qq 后不保留结果,使用 ∑mPmρPm\sum_m P_m\rho P_m,不能把不同结果的态幅直接相加。实际线路还会有 decoherence、gate error、readout error 和有限 connectivity;理想线路等价于数学模型,并不自动保证硬件执行精确。

边界与参考

线路深度、门集和测量位置影响可编译性与误差累积。含循环、动态分配或经典反馈的程序通常需要比静态线路更丰富的语义。线路图能表达一个程序,却不单独证明算法正确;证明可参考量子霍尔逻辑与验证方法与工具。

参考文献:

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