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Advanced Concepts in Quantum Computing (TUM) - Script / Notes

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17-06-2025
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2022/2023

This document is a full script of the Master's Lecture "Advanced Concepts in Quantum Computing" offered by Prof. Christian B. Mendl at TUM. It incorporates the following topics: 1. The quantum Fourier transform and its applications (1.1 Review of Fourier transformation, 1.2 The quantum Fourier transform, 1.3 Phase Estimation, 1.4 Application: order-finding and factoring, 1.5 The HHL algorithm), 2. Quantum Error-Correction (2.1 Introduction, 2.2 The Shor Code, 2.3 Theory of quantum error correction, 2.4 The stabilizer formalism, 2.5 Surface Codes), 3. Qubitization and the quantum singular value transformation (3.1 quantum signal processing, 3.2 qubitization illustrated by amplitude amplification, 3.3 quantum eigenvalue transform, 3.4 Application to Hamiltonian simulation, 3.5 Quantum singular value transform, 4. Variational Quantum Algorithms (4.1 Introduction, 4.2 Variational quantum eigensolver, 4.3 Quantum Approximate Optimization Algorithm)

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17. juni 2025
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Typ
Notizen
Professor(en)
Prof. christian b. mendl
Enthält
Alle klassen

Inhaltsvorschau

Advanced Concepts in

Quantum
Computing




Lecture

,1
. The quantum Fourier transform and its
applications
Most famous
application
: Show's
algorithm for
factoring a n-bit
integer on
OCn-log(n) log(log(n)(
(polynomial scaling in n)

For
comparison
: best known classical
algorithm
: number field Sieve exp(8(n"3 logcn))



.1
1 Review of Fourier transformation

KN
"
Discrete Fourier transform defined
by Fn C
: --




Fr(x) =



y with
yn = V k =
0 ....
N -

1




Intuition : re c to r x is discretization of a
periodic function :
f [0:

,
] -
I
-




f(x)
Ceg sampling of audio
signal) Xj
- =


.
an



f Forner thatf
since is
periodic , analysis states can be decomposed
into a sum of oscillations (sin ,
cos) with different frequencies ( = Fourier series

2 ikt
[Yne
-




mathematically :
f(t) =


-

n oscillator" with
frequency I5K




If we
only consider - evaluated at discrete Curiformly spaced
points O , ...., then a finite sum [ yu
ikt
is sufficient e
-




to re c ove r -> lat these points)

The discrete Forner transform FN finds coefficients the discretization of f.
yo given X




E FN is a
unitary transformation ,
i e
.
. its matrix representation is
unitary .




El
Fr =

Fyt
E Forner modes (i) o ...
me are orthonormal vectors



↳ -k)/N =




Ok kVk, ,
k =
0 ...
n -

1




Since Fr =
Firt ,
we can
identify the inverse discrete Fourier transform




Fr(y) =
X with ym
-i =
f()


. 2
1 The quantum Fourier transform

Fourier transform (QFT)
Definition of
quantum acting on an


othonormal basis 2107 ,
1) . . . .
IN-13 :




(j) ↳ i

Thus for of basis states input
superposition as
a :
,




Xi (k) = Fr

, From assume that N of 2 ie . N 2" for some .
HEN
is
power
=
n ow on
:
a
,




[10 125-133 be computational basis
basis 1
regarded states
L as
can
=




, ...




of an
n-qubit quantum register

For 20 , 2"-13 binary representation Ijn--h
je . . .
use

1jn-2
j jn-1 je jo to describe the
input :
=




in
... .




I jo


For the
following :




↳ binary representationto floating pits,
-




with abod e [0 13 ,




QFT form
in
product
:




je ...
joh
M (10 + etojo 113) Clos + eliojjo 11) . . .


(10 + etioineion)()


Leck
:
(j)
= en Itn-ex
enti 1
=
-(10 eij29(1)) = + (10) +
g20j0(1))a(10) + extojj0()0 . . .




& 25i O Cd

giti
abcd
guiq 1
.




qeE
= =
e
=




(* ) can be realized
by the
following quantum circuit :




Cup to the order of the grbits at the end
reversing

with Rr: =
( Etisa &




operations on first qubit operations on second
qubit



To that this circuit
verify works as intended :




first arbit
consider with
Ijn-1)
:
input
·




Hadamard
gate can be represented as H(x =T (10) + (-1)
*
113) with x50 , 13)
zi
Note : (-1)
*
= patio . X
since e =

1 ; e
=
exi = -




1


=
State after first
H-gate
:
En (10) + eojn (12) Ijnz . .




jejoh
e2xi/4 -250
01
state first
C-R2-gate R
.




=>
after if and for
=
:
only jn-z
using
1
=




and that20 ju-e20
Ojn-2 etiojuju-2 .
.




=
,




E e
:
jujn2 (2) line
0 .




(10) + :




jejoh
state after all controlled-Ru first qubit
gates acted
=
have on :



110 patio jae jo (13) Ijne
. . .




jejo
.




+ . . .




state Hadarmard acted
after
gate qubit
:
=
on second

e (107 enti Ojue -jo 113) En (10) estiOja 112)
/jns---jo
-




+ +




i


En (10) etio in
jo () (102 24t0 jo(12 (
.




-....
+
.




output
=>
: + . - -

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