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Notizen

Introduction to Quantum Computing (TUM) - Script / Notes

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A nicely written script from the lecture "Introduction to Quantum Computing" offered by Prof. Christian B. Mendl at TUM. It includes the following topics: Basic Concepts (quantum bits, single qubit gates, multiple qubits, multiple qubit gates, quantum measurement, Heisenberg uncertainty principle), Entanglement and its applications (quantum teleportation, EPR and Bell inequality), Quantum search algorithms (quantum oracles, Grover's algorithm, optimality of the search algorithm), The Density operator (ensembles of quantum states, general properties of the density operator, the reduced density operator), Quantum operation (motivation and overview, environments and quantum operations, operator-sum representation, axiomatic approach to quantum operations, examples).

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Typ
Notizen
Professor(en)
Prof. christian b. mendl
Enthält
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Inhaltsvorschau

Quantum
Computing




Introduction ·

,2 Basic Concepts
2 1 .
Quantum bits

Classical bits : 0 ,
1

of 1
Quantum bit
/grbit") :

superposition 0 and



>
-




guantum state 147 is described as 14) =
x 103 +
111)
with < B = K ,
:
1x1 +
111 =
1


>
-




Mathematical description : 143=42 -
142 =

(p)
with 10 =
10) and 11) =
(i)

(x amplitudes)
the &
Qubits and cannot /in generall directly be observed/measured .
Instead : "Standard" measurement will results in 0 with
probability /x13
1 with probability1B1

The measurement also
hanges the qubit ( = warfunction collapse
If O 14) measurement
measuring the grbit will be 10) directly after
=



,



If -
1 -1- 147 113 - 1-
measuring
=




practise
-
:
one can estimate the probabilities IXK and IBK in
experiments by repeating
the many times
same
experiment



= repititions are called "trials' or "Shots . .




what is a
grbit physically ? 10) and 11 are . . .




Circuit notation



Miriation
:
·
two different polarisations of a
photon
of
·


alignment nuclear or electronic spir

·


ground or exited state of an atom

·
clockwise or counterclockwise loop current states in a
Josephson junction




Boch sphere representation
A useful
graphical depiction of
qubit the
a is :




If B to be real-valued
x and
happen ,



then one can find
angle JER , such that x =

cos() and
B sin()
=




1B
11mx
et cos()
ar


----- 1BR general
-

(x) in x
cospla
+ : =




ei8 sin()
+



v)
> X
sin()
cos()
B
=
1 = +


Re

1
j
=




and
with so-called phase angles & U
+
4




e)
ecos(E) e since) e(cos)(0) eisin(E) 13)
+
1
Then : 14) =
10) +
11) =
+
.




↑ be ...
ignored
can

, characterized U and Y
Thus 14)
by two
angles
=>
is
,

Block's
these
specify the
point defined as
sphere

N 4) ,
=


(insein ( on the surface of a
she are




why are 10) and 11) at the
poles ?




2 .
2
single qubit gate
me evolution
Principle of :




the grantim State IN) at current time + transitions to a new
guantum State 14)

Later time t t
at a
point

described IT) !
>
-
transition by a
complex unitary Matrix U :
14) =
U .



=>
a
preserves nor m




read from left to right,
circuit notation 143
Fangate 14 a
:
even
though (U(43) from -1. . .




(07)




I
EXAMPLES of NOT
quantum analogue classical
gate
:
the
·




Leads to Pauli-X
gate
: X = 0 =
(i) with Pauli matrices X Y, Z
,




Check X 10) =
(b)(i) =

(i) =
(1) . . .
e+c .
) and Pauli vector
8 =

(01 , 52 , 53) =
(x y
, , z)
·




Pauli-y-gate
:
Y = =
(ii)
·




Pauli-z-gate
:
z =
0
=

(i)
Cleaves 10) but
flips the of 11)
unchanged ,
sign



Recall the Block sphere representation : 14) =


cos() 103 +
esin()k)

14) =
costl 10
-




esinc) 117 =
cost) 103 + ele
+
)
sin() 11)
-
new Block sphere angles
: V' = & and Y =
Y +
It =
Rotation by 1800 around z-axis)



·
Hadermard gate
: H =E
-2) where <10 +
ple--a
·

phase gate s =
(i) i
T-gate T =
( e) where Th =



1 for j 1,
Pauli
satisfy op 3
The 2,
Matices = =
: ·




·




OjOn
= -




On Oj for all
j
+ K
·


[OjOn] : =



OjOn-OnEj
=
Zion for (j,k e) , cyclic permutations



the
introducing
Matrix
exponential
Ah with At Due

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