news 2026/10/18 16:56:57

3、量子计算中的自旋、线性代数与向量运算

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张小明

前端开发工程师

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3、量子计算中的自旋、线性代数与向量运算

量子计算中的自旋、线性代数与向量运算

1. 自旋与量子计算基础

1.1 光子极化实验

光子经过第一个滤波器时呈垂直极化状态。当通过第二个滤波器测量时,一半光子呈 45°方向极化,另一半呈 135°方向极化,其中 45°极化的光子通过滤波器,其余被吸收。第三个滤波器再次测量垂直和水平方向的极化,进入的光子为 45°极化,测量后一半呈垂直极化,一半呈水平极化,滤波器吸收垂直极化的光子,让水平极化的光子通过。

1.2 经典比特与量子比特

经典比特可用日常物体表示,如开关的开或关状态;而量子比特通常由电子的自旋或光子的极化来表示。自旋和极化与经典对应物有很大不同,测量自旋需先选择方向,且自旋是量子化的,测量结果只有两种可能,而非连续范围的答案。

1.3 量子计算结果与随机数生成

我们可以将测量自旋的结果赋值为经典比特,例如,测量结果为 N 可视为二进制数字 0,结果为 S 可视为二进制数字 1。量子计算的最后阶段是进行测量,结果为两种情况之一,将被解释为 0 或 1。虽然实际计算涉及量子比特,但最终答案以经典比特表示。

我们还能利用量子比特生成随机二进制数字串。测量电子自旋先垂直后水平的方向可得到随机的 0 和 1 字符串,这是经典计算机无法做到的。经典计算机是确定性的,其生成的随机字符串是伪随机的,由确定性函数计算得出,若知道函数和初始种子输入,就能计算出相同的字符串,不存在能生成真正随机字符串的经典计算机算法。这体现了量子计算相对于经典计算的优势。

2. 线性代数在量子力学中的应用

2.1 实数与复数的选择

量子力学基于线性代

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