100% tevredenheidsgarantie Direct beschikbaar na je betaling Lees online óf als PDF Geen vaste maandelijkse kosten 4.2 TrustPilot
logo-home
Overig

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

Beoordeling
3,0
(1)
Verkocht
1
Pagina's
33
Geüpload op
02-02-2022
Geschreven in
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.

Meer zien Lees minder











Oeps! We kunnen je document nu niet laden. Probeer het nog eens of neem contact op met support.

Documentinformatie

Geüpload op
2 februari 2022
Aantal pagina's
33
Geschreven in
2021/2022
Type
Overig
Persoon
Onbekend

Onderwerpen

Voorbeeld van de inhoud

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 ⎟⎠

Pagina 3 van 33

, 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
Pagina 4 van 33

Beoordelingen van geverifieerde kopers

Alle reviews worden weergegeven
1 jaar geleden

ben in de eerste 6 pagina's al tegen meerdere fouten met mintekens gelopen waardoor de uitwerking eigenlijk niet perfect kloppen maar voor de rest is alles heel netjes

3,0

1 beoordelingen

5
0
4
0
3
1
2
0
1
0
Betrouwbare reviews op Stuvia

Alle beoordelingen zijn geschreven door echte Stuvia-gebruikers na geverifieerde aankopen.

Maak kennis met de verkoper

Seller avatar
De reputatie van een verkoper is gebaseerd op het aantal documenten dat iemand tegen betaling verkocht heeft en de beoordelingen die voor die items ontvangen zijn. Er zijn drie niveau’s te onderscheiden: brons, zilver en goud. Hoe beter de reputatie, hoe meer de kwaliteit van zijn of haar werk te vertrouwen is.
markheezen Technische Universiteit Delft
Bekijk profiel
Volgen Je moet ingelogd zijn om studenten of vakken te kunnen volgen
Verkocht
292
Lid sinds
5 jaar
Aantal volgers
121
Documenten
111
Laatst verkocht
2 weken geleden
VWO + MST

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.

Lees meer Lees minder
3,8

48 beoordelingen

5
11
4
24
3
8
2
2
1
3

Recent door jou bekeken

Waarom studenten kiezen voor Stuvia

Gemaakt door medestudenten, geverifieerd door reviews

Kwaliteit die je kunt vertrouwen: geschreven door studenten die slaagden en beoordeeld door anderen die dit document gebruikten.

Niet tevreden? Kies een ander document

Geen zorgen! Je kunt voor hetzelfde geld direct een ander document kiezen dat beter past bij wat je zoekt.

Betaal zoals je wilt, start meteen met leren

Geen abonnement, geen verplichtingen. Betaal zoals je gewend bent via iDeal of creditcard en download je PDF-document meteen.

Student with book image

“Gekocht, gedownload en geslaagd. Zo makkelijk kan het dus zijn.”

Alisha Student

Veelgestelde vragen