क्लिफोर्ड गेट्स

क्वांटम कम्प्यूटिंग और क्वांटम सूचना सिद्धांत में, क्लिफोर्ड गेट्स क्लिफोर्ड समूह के तत्व हैं, गणितीय परिवर्तनों का एक सेट जो एन-क्विबिट पाउली समूह को सेंट्रलाइज़र_और_नॉर्मलाइज़र करता है, यानी, पाउली मैट्रिसेस के टेंसर उत्पादों को पाउली के टेंसर उत्पादों में मैप करता है। Conjugacy_class के माध्यम से मैट्रिक्स। यह धारणा डेनियल गॉट्समैन द्वारा प्रस्तुत की गई थी और इसका नाम गणितज्ञ विलियम किंग्डन क्लिफोर्ड के नाम पर रखा गया है। यह कितना घूमता है? जिसमें केवल क्लिफ़ोर्ड गेट्स होते हैं, उन्हें गॉट्समैन-निल प्रमेय के कारण शास्त्रीय कंप्यूटर के साथ कुशलतापूर्वक अनुकरण किया जा सकता है।

क्लिफोर्ड समूह

Further information: List of quantum logic gates § Clifford qubit gates

परिभाषा

पॉल के मैट्रिक्स,

$\sigma _{0}=I={\begin{bmatrix}1&0\\0&1\end{bmatrix}},\quad \sigma _{1}=X={\begin{bmatrix}0&1\\1&0\end{bmatrix}},\quad \sigma _{2}=Y={\begin{bmatrix}0&-i\\i&0\end{bmatrix}},{\text{ and }}\sigma _{3}=Z={\begin{bmatrix}1&0\\0&-1\end{bmatrix}}$

एकल qubit के घनत्व ऑपरेटरों के साथ-साथ एकात्मक ऑपरेटर के लिए एक आधार प्रदान करें जिसे उन पर लागू किया जा सकता है। के लिए $n$-क्विबिट केस के अनुसार, कोई एक समूह का निर्माण कर सकता है, जिसे पाउली समूह के नाम से जाना जाता है

$\mathbf {P} _{n}=\left\{e^{i\theta \pi /2}\sigma _{j_{1}}\otimes \cdots \otimes \sigma _{j_{n}}\mid \theta =0,1,2,3,j_{k}=0,1,2,3\right\}.$

क्लिफोर्ड समूह को इकाइयों के समूह के रूप में परिभाषित किया गया है जो पाउली समूह को केंद्रीकृत और सामान्यीकृत करता है: $\mathbf {C} _{n}=\{V\in U_{2^{n}}\mid V\mathbf {P} _{n}V^{\dagger }=\mathbf {P} _{n}\}.$ क्लिफोर्ड गेट्स को क्लिफोर्ड समूह के तत्वों के रूप में परिभाषित किया गया है।

कुछ लेखक क्लिफोर्ड समूह को भागफल समूह के रूप में परिभाषित करना चुनते हैं $\mathbf {C} _{n}/U(1)$, जो तत्वों की गिनती करता है $\mathbf {C} _{n}$ यह केवल एक ही तत्व के रूप में समग्र चरण कारक से भिन्न होता है। के लिए $n=$ 1, 2, और 3, इस समूह में क्रमशः 24, 11,520, और 92,897,280 तत्व हैं। यह पता चला है वह भागफल समूह $\mathbf {C} _{n}/\mathbf {P} _{n}$ के लिए समरूपता है $2n\times 2n$ सिंपलेक्टिक मैट्रिक्स Sp(2n). एकल क्वबिट के मामले में, प्रत्येक तत्व $\mathbf {C} _{1}$ मैट्रिक्स उत्पाद के रूप में व्यक्त किया जा सकता है $\mathbf {A} \mathbf {B}$, कहाँ $\mathbf {A} \in \{I,V,W,H,HV,HW\}$ और $\mathbf {B} \in \mathbf {P} _{1}=\{I,X,Y,Z\}$. यहाँ $H$ हैडामर्ड गेट है, $S$ चरण गेट, और $W=HS$ और $V=W^{\dagger }$, $HS$ कुल्हाड़ियों को इस प्रकार बदलें $WXV=Y$, $WYV=Z$ और $WZV=X$. शेष द्वारों के लिए, $HV=R_{x}(-\pi /2)$ एक्स-अक्ष के साथ एक क्वांटम लॉजिक गेट#रोटेशन ऑपरेटर गेट है, और $HW=S\sim R_{Z}(\pi /2)$ z-अक्ष के अनुदिश एक घूर्णन है।

जेनरेटर

क्लिफोर्ड समूह तीन द्वारों द्वारा उत्पन्न होता है, क्वांटम_लॉजिक_गेट#हैडमार्ड गेट, क्वांटम_लॉजिक_गेट#फेज_शिफ्ट_गेट्स और सीएनओटी गेट्स। चूंकि सभी पाउली मैट्रिस का निर्माण चरण एस और हैडामर्ड गेट से किया जा सकता है, प्रत्येक पाउली गेट भी क्लिफोर्ड समूह का एक तत्व है। $Y$ h>गेट के गुणनफल के बराबर है $X$ और $Z$ द्वार. यह दिखाने के लिए कि एकात्मक $U$ क्लिफ़ोर्ड समूह का सदस्य है, यह सभी के लिए दिखाने के लिए पर्याप्त है $P\in \mathbf {P} _{n}$ जिसमें केवल टेंसर उत्पाद शामिल हैं $X$ और $Z$, अपने पास $UPU^{\dagger }\in \mathbf {P} _{n}$.

हैडमार्ड गेट

हैडामर्ड गेट

$H={\frac {1}{\sqrt {2}}}{\begin{bmatrix}1&1\\1&-1\end{bmatrix}}$ के रूप में क्लिफोर्ड समूह का सदस्य है $HXH^{\dagger }=Z$ और $HZH^{\dagger }=X$.

एस गेट

चरण द्वार

$S={\begin{bmatrix}1&0\\0&e^{i{\frac {\pi }{2}}}\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}1&0\\0&i\end{bmatrix}}={\sqrt {Z}}$ जैसा कि क्लिफ़ोर्ड गेट है $SXS^{\dagger }=Y$ और $SZS^{\dagger }=Z$.

सीएनओटी गेट

सीएनओटी गेट दो क्वैबिट पर लागू होता है। बीच में $X$ और $Z$ चार विकल्प हैं:

CNOT Combinations

$P$	CNOT $P$ CNOT$^{\dagger }$
$X\otimes I$	$X\otimes X$
$I\otimes X$	$I\otimes X$
$Z\otimes I$	$Z\otimes I$
$I\otimes Z$	$Z\otimes Z$

गुण और अनुप्रयोग

क्लिफोर्ड गेट और पाउली गेट का क्रम आपस में बदला जा सकता है। उदाहरण के लिए, इसे 2 क्यूबिट पर निम्नलिखित ऑपरेटर पर विचार करके चित्रित किया जा सकता है

$A=(X\otimes Z)CZ$.

हम वह जानते हैं: $CZ(X\otimes I)CZ^{\dagger }=X\otimes Z$. यदि हम दाईं ओर से CZ से गुणा करते हैं

$CZ(X\otimes I)=(X\otimes Z)CZ$.

अतः A, के बराबर है

$A=(X\otimes Z)CZ=CZ(X\otimes I)$.

सिम्युलैबिलिटी

गॉट्समैन-निल प्रमेय में कहा गया है कि केवल निम्नलिखित तत्वों का उपयोग करके एक क्वांटम सर्किट को शास्त्रीय कंप्यूटर पर कुशलतापूर्वक अनुकरण किया जा सकता है:

1. कम्प्यूटेशनल आधार पर क्यूबिट की तैयारी बताती है,
2. क्लिफ़ोर्ड गेट्स, और
3. कम्प्यूटेशनल आधार पर माप.

गॉट्समैन-निल प्रमेय से पता चलता है कि कुछ अत्यधिक क्वांटम उलझाव वाले राज्यों को भी कुशलतापूर्वक अनुकरण किया जा सकता है। कई महत्वपूर्ण प्रकार के क्वांटम एल्गोरिदम केवल क्लिफोर्ड गेट्स का उपयोग करते हैं, सबसे महत्वपूर्ण रूप से उलझाव आसवन और क्वांटम त्रुटि सुधार के लिए मानक एल्गोरिदम।

क्वांटम गेट्स का एक सार्वभौमिक सेट बनाना

क्लिफोर्ड गेट क्वांटम_लॉजिक_गेट#यूनिवर्सल_क्वांटम_गेट्स नहीं बनाते हैं क्योंकि सभी गेट क्लिफोर्ड समूह के सदस्य नहीं हैं और कुछ गेटों को संचालन के एक सीमित सेट के साथ मनमाने ढंग से अनुमानित नहीं किया जा सकता है। एक उदाहरण क्वांटम_लॉजिक_गेट#फेज_शिफ्ट_गेट्स है (ऐतिहासिक रूप से जाना जाता है $\pi /8$ दरवाज़ा):

$T={\begin{bmatrix}1&0\\0&e^{i{\frac {\pi }{4}}}\end{bmatrix}}={\sqrt {S}}={\sqrt[{4}]{Z}}$.

यह दिखाने के लिए कि $T$ गेट पाउली का नक्शा नहीं दिखाता-$X$ दूसरे पाउली मैट्रिक्स का गेट:

$TX{T^{\dagger }}=\left[{\begin{array}{*{20}{c}}1&0\\0&{e^{i{\frac {\pi }{4}}}}\end{array}}\right]\left[{\begin{array}{*{20}{c}}0&1\\1&0\end{array}}\right]\left[{\begin{array}{*{20}{c}}1&0\\0&{e^{-i{\frac {\pi }{4}}}}\end{array}}\right]=\left[{\begin{array}{*{20}{c}}0&{e^{-i{\frac {\pi }{4}}}}\\{e^{i{\frac {\pi }{4}}}}&0\end{array}}\right]\not \in {{\mathbf {P} }_{1}}$

हालाँकि, क्लिफ़ोर्ड समूह, जब इसके साथ संवर्धित किया गया $T$ गेट, क्वांटम गणना के लिए एक सार्वभौमिक क्वांटम गेट सेट बनाता है।

यह भी देखें

• जादुई अवस्था आसवन
• क्लिफोर्ड बीजगणित