第 4 课 · 量子比特、张量积、纠缠与通用门集 · 模块一:基础与工具

制备纠缠:H + CNOT 两步流水线

  • 题面(主信息):$|00\rangle$ —$H\otimes I$→ $(|00\rangle+|10\rangle)/\sqrt{2}$ —CNOT→ $|\Phi^+\rangle$
  • 演算步骤:
    1. 步骤 1(分别作用规则):$(H\otimes I)|00\rangle = (H|0\rangle)\otimes|0\rangle = ((|0\rangle+|1\rangle)/\sqrt{2})\otimes|0\rangle = (|00\rangle+|10\rangle)/\sqrt{2}$——中间态仍是乘积态($= |+\rangle\otimes|0\rangle$)
    2. 步骤 2(CNOT 按线性分配到每个叠加分量):$\mathrm{CNOT}\cdot(|00\rangle+|10\rangle)/\sqrt{2} = (\mathrm{CNOT}|00\rangle + \mathrm{CNOT}|10\rangle)/\sqrt{2} = (|00\rangle+|11\rangle)/\sqrt{2} = |\Phi^+\rangle$
    3. 判定:中间态可分解、末态不可分解(第 9 页命题兑现)——纠缠恰在第 2 步产生
    4. 侧栏·单比特门作用在多比特系统的两种等价算法:张量积法——把 $H\otimes I$ 展成 $4\times 4$ 大矩阵作用于 $(\alpha,\beta,\gamma,\delta)^{T}$,得 $((\alpha+\gamma),(\beta+\delta),(\alpha-\gamma),(\beta-\delta))^{T}/\sqrt{2}$(编程模拟用);线性展开法——门只作用于目标比特的基矢,逐项展开再合并同类项(手算推荐)
  • 结果框:一个 H 门 + 一个 CNOT 门,从 $|00\rangle$ 制备出贝尔态
类型worked-example(本课演算范例二)