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Uitgewerkte opdrachten - Quantum Engineering & Applications ( TN2306) - Minor Modern Physics

Puntuación
3.0
(1)
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1
Páginas
33
Subido en
02-02-2022
Escrito en
2021/2022

Bij Quantum Engineering & Applications (TN2306) wordt ingegaan op thema's uit de categorieën Quantum bits and entanglement met daarbijbehorende quantum circuits, Quantum communication en Quantum computing over zowel algoritmen als hardware. Het vak wordt gegeven in het vierde octaal van de Minor Modern Physics aan de TU Delft. Het vak werd in gegeven door Dr. C.K. Andersen. In dit document zijn alle werkcollege-opgaven uitgebreid uitgewerkt.

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2 de febrero de 2022
Número de páginas
33
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2021/2022
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Desconocido

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TN2306 UITWERKINGEN WERKCOLLEGES




Quantum Engineering and
Applications
TN2306

Uitwerkingen opgaven




Pagina 1 van 33

, TN2306 UITWERKINGEN WERKCOLLEGES


Inhoudsopgave
Inhoudsopgave 2
College 1 De qubit 3
College 2 2 qubits 9
College 3 Kwantumcircuits 14
College 4 Kwantumcomputer 18
College 5 Kwantumencryptie 21
College 6 Kwantumhardware I 30
College 7 Kwantumalgoritmen 33




Pagina 2 van 33

, TN2306 UITWERKINGEN WERKCOLLEGES


College 1 De qubit
Problem 1
a) Calculate the eigenvalues and eigenstates of the following matrices:
⎛ 1 0 ⎞ ⎛ 0 1 ⎞ ⎛ 0 −i ⎞
σz = ⎜ σx = ⎜ σy = ⎜
⎝ 0 −1 ⎟⎠ ⎝ 1 0 ⎟⎠ ⎝ i 0 ⎟⎠
b) Show that the three matrices above are hermitian and unitary.
c) Calculate the commutator between the three matrices above

A.
σz
⎧λ1 = 1
(1− λ )( −1− λ ) = 0 → ⎨
⎩λ2 = −1
⎛ 1 0 ⎞⎛ α ⎞ ⎛ α ⎞ ⎧α = α ⎛ 1 ⎞
⎜⎝ 0 −1 ⎟⎠ ⎜ β ⎟ = 1• ⎜ β ⎟ → ⎨− β = β → ν1 = ⎜ 0 ⎟ = 0
⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎩ ⎝ ⎠
⎛ 1 0 ⎞⎛ α ⎞ ⎛ α ⎞ ⎧α = −α ⎛ 0 ⎞

⎜⎝ 0 −1 ⎟⎠ β ⎟ = −1• ⎜ ⎟ → ⎨ → ν = ⎜⎝ 1 ⎟⎠ = 1
⎝ β ⎠ ⎩− β = − β
2
⎝ ⎠

σx
⎧λ1 = 1
λ2 −1 = 0 → ⎨
⎩λ2 = −1
⎛ 0 1 ⎞⎛ α ⎞ ⎛ α ⎞ ⎧β = α 1 ⎛ 1 ⎞
⎜⎝ 1 0 ⎟⎠ β⎜ ⎟ = 1• ⎜ ⎟ → ⎨ → ν = ⎜ ⎟ =
1
(0 +1 )
⎝ β ⎠ ⎩α = β
1
⎝ ⎠ 2⎝ 1 ⎠ 2
⎛ 0 1 ⎞⎛ α ⎞ ⎛ α ⎞ ⎧β = −α ⎛ 1 ⎞
⎜⎝ 1 0 ⎟⎠ ⎜ β ⎟ = −1• ⎜ β ⎟ → ⎨a = − β → ν 2 = ⎜⎝ −1 ⎟⎠ = 2 ( 0 − 1 )
1
⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎩

σy
⎧λ1 = 1
λ 2 − ( −i ) • i = λ 2 − 1 = 0 → ⎨
⎩λ2 = −1
⎛ 0 −i ⎞ ⎛ α ⎞ ⎛ α ⎞ ⎧−iβ = α 1 ⎛ i ⎞
⎜⎝ i 0 ⎟⎠ ⎜ β ⎟ = 1• ⎜ β ⎟ → ⎨iα = β → ν1 = ⎜ ⎟
2 ⎝ −1 ⎠
=
1
(i 0 − 1 )
⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎩ 2
⎛ 0 −i ⎞ ⎛ α ⎞ ⎛ α ⎞ ⎧−iβ = −α 1 ⎛ 1 ⎞ 1 ⎛ i ⎞

⎜⎝ i 0 ⎟⎠ β ⎟ = −1• ⎜ β ⎟ → ⎨ → ν = ⎜ ⎟ ∼ ⎜ ⎟ =
1
(i 0 + 1 )
⎩iα = − β 2 ⎝ −i ⎠
2
⎝ ⎠ ⎝ ⎠ 2⎝ 1 ⎠ 2

B.
Hermitisch
⎛ 1 0 ⎞ ⎛ 1 0 ⎞ ⎛ 0 1 ⎞ ⎛ 0 1 ⎞
σ zT = ⎜ ⎟ → σ z† = ⎜ =σz σ xT = ⎜ → σ x† = ⎜ = σ x en
⎝ 0 −1 ⎠ ⎝ 0 −1 ⎟⎠ ⎟
⎝ 1 0 ⎠ ⎝ 1 0 ⎟⎠
⎛ 0 i ⎞ ⎛ 0 −i ⎞
σ yT = ⎜ ⎟ → σ y† = ⎜ =σy
⎝ −i 0 ⎠ ⎝ i 0 ⎟⎠

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, TN2306 UITWERKINGEN WERKCOLLEGES
Eenheid
⎛ 1 0 ⎞⎛ 1 0 ⎞ ⎛ 1 0 ⎞ ⎛ 0 1 ⎞⎛ 0 1 ⎞ ⎛ 1 0 ⎞
σ zσ z† = ⎜ = = I2 σ xσ x† = ⎜ = = I2
⎝ 0 −1 ⎟⎠ ⎜⎝ 0 −1 ⎟⎠ ⎜⎝ 0 1 ⎟⎠ ⎝ 1 0 ⎟⎠ ⎜⎝ 1 0 ⎟⎠ ⎜⎝ 0 1 ⎟⎠
⎛ 0 −i ⎞ ⎛ 0 −i ⎞ ⎛ 1 0 ⎞
σ yσ y† = ⎜ = = I2
⎝ i 0 ⎟⎠ ⎜⎝ i 0 ⎟⎠ ⎜⎝ 0 1 ⎟⎠

C.
⎛ ⎞⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞
⎡⎣σ x , σ y ⎤⎦ = ⎜ 0 1 ⎟ ⎜ 0 −i ⎟ − ⎜ 0 −i ⎟ ⎜ 0 1 ⎟ = ⎜ i 0 ⎟ − ⎜ −i 0 ⎟ = ⎜ 2i 0 ⎟ = 2i ⎜ 1 0 ⎟ = 2iσ z
⎝ 1 0 ⎠ ⎝ i 0 ⎠ ⎝ i 0 ⎠ ⎝ 1 0 ⎠ ⎝ 0 −i ⎠ ⎝ 0 i ⎠ ⎝ 0 −2i ⎠ ⎝ 0 −1 ⎠
⎛ 0 1 ⎞ ⎛ 1 0 ⎞ ⎛ 1 0 ⎞ ⎛ 0 1 ⎞ ⎛ 0 −1 ⎞ ⎛ 0 1 ⎞ ⎛ 0 −2 ⎞ ⎛ 0 −i ⎞
⎡⎣σ x , σ z ⎤⎦ = ⎜ − = − = = −2i ⎜ = −2iσ y
⎝ 1 0 ⎟⎠ ⎜⎝ 0 −1 ⎟⎠ ⎜⎝ 0 −1 ⎟⎠ ⎜⎝ 1 0 ⎟⎠ ⎜⎝ 1 0 ⎟⎠ ⎜⎝ −1 0 ⎟⎠ ⎜⎝ 2 0 ⎟⎠ ⎝ i 0 ⎟⎠
⎛ ⎞⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞
⎡⎣σ y , σ z ⎤⎦ = ⎜ 0 −i ⎟ ⎜ 1 0 ⎟ − ⎜ 1 0 ⎟ ⎜ 0 −i ⎟ = ⎜ 0 i ⎟ − ⎜ 0 −i ⎟ = ⎜ 0 2i ⎟ = 2i ⎜ 0 1 ⎟ = 2iσ x
⎝ i 0 ⎠ ⎝ 0 −1 ⎠ ⎝ 0 −1 ⎠ ⎝ i 0 ⎠ ⎝ i 0 ⎠ ⎝ −i 0 ⎠ ⎝ 2i 0 ⎠ ⎝ 1 0 ⎠

Problem 2
Consider the basis states
⎛ 1 ⎞ ⎛ 0 ⎞
0 →⎜ , 1 →⎜
⎝ 0 ⎟⎠ ⎝ 1 ⎟⎠
Using the bra-ket notation, we can write σ z in the following form: σ z = 0 0 − 1 1
a) Write σ x and σ y in bra-ket notation.
b) Use bra-ket notation to calculate the commutators between the three matrices.
c) The operator σ + and σ − take 0 to 1 and 1 to 0 , respectively.
Write σ + and σ − in bra-ket notation and as matrices.

A.
⎛ 0 1 ⎞
σx = ⎜ ⎟
⎝ 1 0 ⎠
⎛ 1 ⎞
= 0 1 + 1 0 =⎜
⎝ 0 ⎟⎠
( 0 1 ) + ⎛⎜⎝ 0 ⎞
1 ⎟⎠
( 1 0 ) = ⎛⎜⎝ 0 1 ⎞ ⎛ 0 0 ⎞ ⎛ 0 1 ⎞
+ =
0 0 ⎟⎠ ⎜⎝ 1 0 ⎟⎠ ⎜⎝ 1 0 ⎟⎠
⎛ 0 −i ⎞
σy = ⎜
⎝ i 0 ⎠⎟
⎛ 0 ⎞
= i 1 0 − i 0 1 = i⎜
⎝ 1 ⎟⎠
1 0 ( ) − i ⎛⎜⎝ 1 ⎞
0 ⎟⎠
( 0 1 ) = i ⎛⎜⎝ 0 0 ⎞ ⎛ 0 1 ⎞ ⎛ 0 −i ⎞
−i =
1 0 ⎟⎠ ⎜⎝ 0 0 ⎟⎠ ⎜⎝ i 0 ⎟⎠

B.
⎡⎣σ x , σ y ⎤⎦ = ( 0 1 + 1 0 ) ( i 1 0 − i 0 1 ) − ( i 1 0 − i 0 1 ) ( 0 1 + 1 0 )
= i 0 1 |1 0 − i 0 1 | 0 1 + i 1 0 |1 0 − i 1 0 | 0 1 − i 1 0 | 0 1 − i 1 0 |1 0 + i 0 1 | 0 1 + i 0 1 |1 0
= i 0 •1• 0 − i 0 • 0 • 1 + i 1 • 0 • 0 − i 1 •1• 1 − i 1 •1• 1 − i 1 • 0 • 0 + i 0 • 0 • 1 + i 0 •1• 0
= i 0 0 − i 1 1 − i 1 1 + i 0 0 = 2i 0 0 − 2i 1 1 = 2i ( 0 0 − 1 1 ) = 2iσ z
⎡⎣σ x , σ z ⎤⎦ = ( 0 1 + 1 0 ) ( 0 0 − 1 1 ) − ( 0 0 − 1 1 ) ( 0 1 + 1 0 )
= 0 1 | 0 0 − 0 1 |1 1 + 1 0 | 0 0 − 1 0 |1 1 − 0 0 | 0 1 − 0 0 |1 0 + 1 1 | 0 1 + 1 1 |1 0
= 0 • 0 • 0 − 0 •1• 1 + 1 •1• 0 − 1 • 0 • 1 − 0 •1• 1 − 0 • 0 • 0 + 1 • 0 • 1 + 1 •1• 0
= − 0 1 + 1 0 − 0 1 + 1 0 = −2 0 1 + 2 1 0 = 2 ( 1 0 − 0 1 ) = −2i ( i 1 0 − i 0 1 ) = −2iσ y
⎡⎣σ y , σ z ⎤⎦ = ( i 1 0 − i 0 1 ) ( 0 0 − 1 1 ) − ( 0 0 − 1 1 ) ( i 1 0 − i 0 1 )
= i 1 0 | 0 0 − i 1 0 |1 1 − i 0 1 | 0 0 + i 0 1 |1 1 − i 0 0 |1 0 + i 0 0 | 0 1 + i 1 1 |1 0 − i 1 1 | 0 1
= i 1 •1• 0 − i 1 • 0 • 1 − i 0 • 0 • 0 + i 0 •1• 1 − i 0 • 0 • 0 + i 0 •1• 1 + i 1 •1• 0 − i 1 • 0 • 1
=i 1 0 +i 0 1 +i 0 1 +i 1 0
= 2i 1 0 + 2i 0 1 = 2i ( 0 1 + 1 0 ) = 2iσ x
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Ik heb altijd goed kunnen leren door stof samen te vatten. Om het overzichtelijk te houden doe ik dit al van jongs af aan op de computer. Vandaar dat op mijn account samenvattingen te vinden zijn van het VWO (onderbouw en bovenbouw Natuur & Techniek). Momenteel volg ik de bachelorstudie Molecular Science & Technology aan de TU Delft en de Universiteit Leiden. Van deze studie plaats ik altijd in de hertentamenweek (moet immers zelf eerst studeren en hier gaat best wat tijd in zitten ;-)) de samenvattingen van de vakken van het afgelopen blok en soms ook uitwerkingen van oude tentamens als ik die gemaakt heb. Voor elk vak maak ik altijd een bundel met alle documenten van 1 vak bij elkaar. In mijn derde studiejaar heb ik gekozen voor de minor Modern Physics. Ook de samenvattingen hiervan zijn te vinden.

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