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Máster y doctorado

Computación e información cuánticas

Un qubit no es una lista de probabilidades: se describe con amplitudes complejas. Primero aprenderemos a normalizarlas y medir. Después veremos cómo sus signos y fases permiten interferencia, por qué varios qubits se combinan con un tensor y qué información se pierde al observar solo una parte.

1. Dos componentes complejas describen un qubit puro

Fijamos |0\rangle=(1,0)^{\mathsf T} y |1\rangle=(0,1)^{\mathsf T}.

Un estado puro es |\psi\rangle=\alpha|0\rangle+\beta|1\rangle, con |\alpha|^2+|\beta|^2=1. Las componentes son amplitudes; pueden ser negativas o complejas.

Para normalizar un vector no nulo dividimos por \sqrt{|\alpha|^2+|\beta|^2}.

Si z=a+ib, su módulo cuadrado es a²+b², no z².

El vector cero no se normaliza ni representa un estado puro.

Normalizar con una componente imaginaria

Vector (2,i).

  1. Norma

    √(|2|²+|i|²)=√5.
  2. Dividir

    ψ=(2,i)/√5.
  3. Comprobar

    Los módulos cuadrados suman 4/5+1/5=1.
Resultado

La amplitud i/√5 tiene módulo cuadrado 1/5.

Lo comprobamos

Su cuadrado algebraico −1/5 no es una probabilidad.

Un vector que no sirve

Vector (0,0).

  1. Norma

    Vale cero.

  2. División

    No se puede dividir por cero.

  3. Estado

    La condición de norma uno no se puede satisfacer escalándolo.

Resultado

Se necesita un vector no nulo antes de normalizar.

Lo comprobamos

La normalización no es sumar las amplitudes hasta que den uno.

2. Born convierte amplitudes en resultados de una medición concreta

En la base computacional, medir devuelve 0 con probabilidad |α|² y 1 con |β|². No entrega simultáneamente las dos amplitudes. En una medición proyectiva el estado condicionado al resultado es su proyección normalizada.

Las frecuencias se estiman repitiendo preparaciones equivalentes. Medir repetidamente el mismo sistema después de colapsarlo no repite la preparación inicial. Si cambiamos la base, debemos volver a calcular sus amplitudes o usar los proyectores correspondientes.

Medir el estado que acabamos de normalizar

ψ=(2,i)/√5.

  1. Probabilidades

    P(0)=4/5 y P(1)=1/5.
  2. Condicionar

    Tras observar 1, el estado es |1⟩ salvo una fase global.

  3. Volver a medir

    Sin otra operación, la siguiente medición en esa base da 1 con certeza.

Resultado

El segundo experimento sobre ese sistema ya parte de otro estado.

Lo comprobamos

No vuelve a sortear 0 con probabilidad 4/5.

Frecuencia esperada no es un recuento obligado

Preparamos cien veces ese estado y medimos cada preparación.

  1. Indicadores

    Cada resultado 1 tiene probabilidad 1/5.

  2. Esperanza

    El número esperado de unos es 100/5=20.
  3. Azar

    No tiene por qué salir exactamente veinte en una ejecución.

Resultado

Una medición es clásica; la distribución se refiere a repeticiones.

Lo comprobamos

Con preparaciones independientes, el recuento sigue una binomial.

3. La fase de todo el vector se cancela; una fase relativa puede observarse

Multiplicar ψ por e^{i\theta} no cambia el estado físico puro: cualquier amplitud de medición recibe ese mismo factor de módulo uno. Cambiar solo una componente puede alterar cómo se suman las amplitudes después.

Por ejemplo |+\rangle=(|0\rangle+|1\rangle)/\sqrt2 y |-\rangle=(|0\rangle-|1\rangle)/\sqrt2 dan las mismas probabilidades computacionales, pero no son múltiplos por una fase global. Una operación puede distinguirlos.

Una fase global compleja

Multiplicamos ψ=(2,i)/√5 por −i.

  1. Vector

    Resulta (−2i,1)/√5.

  2. Módulos

    Siguen siendo 4/5 y 1/5.

  3. Cualquier base

    El producto con cualquier vector de medición se multiplica por −i; el módulo cuadrado se conserva.

Resultado

La fase global no cambia ninguna distribución de medición.

Lo comprobamos

No se limita a esta base concreta.

Un signo relativo cambia otra medición

Estados (√3,1)/2 y (√3,−1)/2.

  1. Base inicial

    Ambos dan probabilidades 3/4 y 1/4.

  2. Aplicar Hadamard

    La primera amplitud pasa a (√3+1)/(2√2) o (√3−1)/(2√2).

  3. Probabilidad de 0

    Quedan (2+√3)/4 y (2−√3)/4, distintas.

Resultado

Conocer solo probabilidades en una base no determina el estado.

Lo comprobamos

Ambos estados estaban normalizados antes de aplicar la operación.

4. Una unitaria conserva norma y puede deshacerse

Una operación unitaria satisface U^\dagger U=I, donde † es trasponer y conjugar. Entonces \|U\psi\|^2=\psi^\dagger U^\dagger U\psi=\|\psi\|^2. En dimensión finita su inversa es U†.

Hadamard es H=2^{-1/2}\begin{pmatrix}1&1\\1&-1\end{pmatrix}.
Es real, simétrica y H²=I.

Mezcla amplitudes con signos; no elige un resultado de medición. Las operaciones sucesivas se multiplican en el orden en que actúan, de derecha a izquierda sobre el vector.

Multiplicar una matriz y un estado

ψ=(3,−1)/√10.

  1. Primera componente

    (3−1)/√20=2/√20.
  2. Segunda

    (3+1)/√20=4/√20.
  3. Simplificar

    Hψ=(1,2)/√5; las probabilidades son 1/5 y 4/5.
Resultado

La norma sigue siendo uno.

Lo comprobamos

Aplicar H de nuevo devuelve ψ, no necesariamente |0⟩.

Una matriz cualquiera no es una puerta unitaria

M=diag(1,2).

  1. Probar

    M|1⟩=(0,2).
  2. Norma

    Su norma es 2, no 1.

  3. Criterio

    M†M=diag(1,4)≠I.
Resultado

M no conserva todas las normas.

Lo comprobamos

Normalizar después manualmente no convierte esa regla en la misma evolución unitaria.

5. Primero se suman amplitudes, después se toman módulos cuadrados

Dos contribuciones indistinguibles a una salida pueden reforzarse o cancelarse. El cuadrado del módulo de su suma incluye términos cruzados. Si se mide en medio para distinguir los caminos, cambia el experimento.

La medición intermedia cambia el experimento
La fase cambia la interferenciaSin medir entre las puertas|0⟩HDφHφ=2π/301/413/4Con medición intermedia:1/2 y 1/2, para toda fase.
Circuito de un qubit inicialmente cero que recibe Hadamard, fase diagonal de uno y exponencial i phi, y otro Hadamard sin medición intermedia. Con fase dos pi tercios, el resultado computacional cero tiene probabilidad un cuarto y uno tres cuartos. Las alturas de ambas barras están a escala de doscientas unidades por probabilidad uno. Si se inserta una medición computacional justo después del primer Hadamard, cada estado condicionado produce tras las otras puertas una lectura final equiprobable, independientemente de la fase. No se atribuyen probabilidades clásicas a caminos antes de que interfieran sus amplitudes.
Definimos D_\phi=\operatorname{diag}(1,e^{i\phi}).

Partiendo de |0⟩, el circuito H, luego Dφ y luego H da amplitudes ((1+e^{i\phi})/2,(1-e^{i\phi})/2). Por eso P(0)=\cos^2(\phi/2),\ P(1)=\sin^2(\phi/2).

Una fase que cambia el resultado final

φ=2π/3.

  1. Amplitudes

    e^{i\phi}=-1/2+i\sqrt3/2; la primera amplitud es 1/4+i√3/4.
  2. Módulo

    P(0)=1/16+3/16=1/4.
  3. Otra salida

    P(1)=3/4; ambas suman uno.
Resultado

No se sumaron probabilidades de caminos antes de interferir.

Lo comprobamos

Con φ=0 la salida sería |0⟩ con certeza.

Insertar una medición altera la cuenta

Medimos la base computacional justo después del primer H.

  1. Medición intermedia

    Deja |0⟩ o |1⟩ con probabilidad 1/2.

  2. Fase

    Dφ solo cambia una fase global de cada estado condicionado.

  3. Último H

    Cada rama da 0 y 1 con probabilidad 1/2; la mezcla final también.

Resultado

Ahora P(0)=P(1)=1/2, para cualquier φ.

Lo comprobamos

Una medición no se intercambia libremente con una operación coherente.

6. El tensor multiplica dimensiones y admite estados no separables

Dos qubits tienen base |00\rangle,|01\rangle,|10\rangle,|11\rangle y dimensión cuatro. En un producto de estados (α,β)⊗(γ,δ), las amplitudes son (αγ,αδ,βγ,βδ). Para n qubits la dimensión es 2ⁿ.

Un estado conjunto puede dar resultados correlacionados
Dos qubits, cuatro resultadosEstado (|00⟩+i|11⟩)/√2001/2010100111/2Solo salen 00 y 11.Cada bit: 0 o 1 al 50 %.El total es puro y entrelazado.No permite elegir el bit remoto.
Distribución computacional del estado puro de dos qubits formado por cero cero más i por uno uno, dividido entre raíz de dos. Solo aparecen cero cero y uno uno con probabilidad un medio cada uno; cero uno y uno cero tienen probabilidad cero. Las alturas usan la misma escala y los ceros se marcan sobre el eje. La matriz de amplitudes tiene determinante i medios no nulo y eso demuestra entrelazamiento; la gráfica de probabilidades por sí sola no lo certifica frente a una mezcla clásica correlacionada. La traza parcial de cada qubit es identidad sobre dos. Un resultado local es aleatorio y una operación unitaria en el lado ignorado conserva ese estado reducido.

Un estado puro que no se factoriza en estados de las partes es entrelazado. Para dos qubits, organizar amplitudes en una matriz 2×2 ayuda: un producto tiene rango uno. Un determinante no nulo demuestra que no es producto.

Multiplicar amplitudes de un producto

(2,i)/√5 y (1,1)/√2.

  1. Tensor

    Amplitudes (2,2,i,i)/√10 en el orden declarado.

  2. Medición

    Probabilidades 2/5,2/5,1/10,1/10.

  3. Comprobar

    Suman uno y cada probabilidad es producto de las probabilidades de las partes.

Resultado

Este estado sí es producto.

Lo comprobamos

Multiplicar dimensiones no significa sumar amplitudes de las partes.

Un estado con fase y entrelazamiento

|\Phi_i\rangle=(|00\rangle+i|11\rangle)/\sqrt2.

  1. Matriz

    Amplitudes organizadas como diag(1,i)/√2.

  2. Determinante

    Vale i/2≠0: rango dos, así que no se factoriza.

  3. Resultados

    Solo 00 y 11, cada uno con probabilidad 1/2.

Resultado

Las partes están entrelazadas aunque el estado total sea puro.

Lo comprobamos

La correlación no permite elegir el resultado aleatorio del otro lado ni enviar por sí sola un mensaje.

7. La densidad distingue coherencia, mezcla y estado reducido

Un estado puro define \rho=|\psi\rangle\langle\psi|. Más generalmente, una matriz de densidad es positiva y de traza uno. Para un proyector Π la probabilidad es \operatorname{tr}(\rho\Pi). Una mezcla de estados usa una media de sus matrices, no una suma de amplitudes.

Para observar solo una parte se toma traza parcial. Un estado total puro puede tener partes mixtas. Perder acceso a un subsistema o a un entorno no equivale en general a una operación unitaria aislada sobre lo que queda.

Mismas probabilidades iniciales, distinta coherencia

ψ=(2,i)/√5 frente a una mezcla de |0⟩ y |1⟩ con pesos 4/5 y 1/5.

  1. Matrices

    \rho=\tfrac15\begin{pmatrix}4&-2i\\2i&1\end{pmatrix}; la mezcla es diag(4/5,1/5).

  2. Cambiar fase

    Aplicamos S†=diag(1,−i): ψ pasa a (2,1)/√5, mientras la mezcla no cambia.

  3. Luego H

    El estado puro da P(0)=9/10; la mezcla da P(0)=1/2.
Resultado

Las entradas fuera de la diagonal contienen coherencia que puede afectar mediciones posteriores.

Lo comprobamos

No se distinguen ambas matrices midiendo solo la base computacional inicial.

Partes mixtas de un estado puro

Estado |\Phi_i\rangle del ejemplo anterior.

  1. Ignorar el segundo qubit

    La traza parcial da \rho_A=I/2.
  2. Pureza

    \operatorname{tr}(\rho_A^2)=1/2; para el estado total puro \operatorname{tr}(\rho^2)=1.

  3. Información

    Cada parte sola da 0 o 1 con mitad de probabilidad; el conjunto conserva correlaciones.

Resultado

La incertidumbre de una parte no obliga a que el total sea una mezcla clásica.

Lo comprobamos

Una unitaria local sobre la parte ignorada conserva el estado reducido de A, por invariancia de la traza parcial.

8. La dimensión y la información que extraes son recursos distintos

Una medición computacional de n qubits devuelve una cadena de n bits, no la lista de 2ⁿ amplitudes. Preparar estados, realizar puertas, acceder a datos y extraer una respuesta tienen costes. No toda tarea obtiene ventaja solo por usar una superposición.

Los circuitos anteriores son ideales. Ruido, canales, corrección de errores y recursos de algoritmos requieren modelos adicionales. Incluso copiar un estado desconocido tiene restricciones diferentes de copiar un bit clásico.

Ocho amplitudes no son ocho números leídos a la vez

Tres qubits puros.

  1. Dimensión

    2³=8 amplitudes complejas normalizadas.
  2. Una lectura

    La medición computacional devuelve una de las ocho cadenas: 000,…,111.

  3. Estimar

    Para estudiar su distribución se necesitan preparaciones y mediciones repetidas; las fases exigen otras mediciones.

Resultado

Tamaño del vector no equivale a salida clásica de una ejecución.

Lo comprobamos

No se promete leer todas las respuestas de una búsqueda en un solo intento.

Por qué una copia unitaria universal no funciona

Supongamos una puerta con registro vacío |0⟩ que copia exactamente |0⟩ y |1⟩.

  1. Reglas

    Debe enviar |00⟩ a |00⟩ y |10⟩ a |11⟩.

  2. Linealidad

    Al entrar |+⟩|0⟩, su salida sería (|00⟩+|11⟩)/√2.

  3. Copia deseada

    |+⟩|+⟩ tiene cuatro amplitudes 1/2 y es otra salida: no pueden coincidir.

Resultado

Esa misma puerta no puede copiar todos los estados desconocidos.

Lo comprobamos

El argumento usa un registro vacío común y linealidad; no prohíbe preparar de nuevo un estado conocido.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Normalizar antes de medir

El vector sin normalizar es (1,2). Calcula probabilidades al medir su normalización.

  1. Vector

    (1,2), no está normalizado.

  2. Norma

    √(1²+2²)=√5.
  3. Estado

    (1/√5,2/√5).

  4. Born para cero

    P(0)=|1/√5|²=1/5.
  5. Born para uno

    P(1)=|2/√5|²=4/5.
  6. Comprobar

    Son no negativas y suman uno.

Resultado

P(0)=1/5 y P(1)=4/5.

Lo comprobamos

Ambas son no negativas y suman uno.

EJEMPLO RESUELTO 2

Interferencia con Hadamard

H=(1/√2)[[1,1],[1,−1]]. Aplica H a |0⟩ y después vuelve a aplicar H.

  1. Entrada

    |0⟩=(1,0).
  2. Primer H

    Da (1,1)/√2=|+⟩.
  3. Sin medir

    Conservamos ambas amplitudes para la siguiente operación.

  4. Segundo H

    Primera amplitud (1+1)/2=1; segunda (1−1)/2=0.
  5. Resultado

    H²|0⟩=|0⟩.
  6. Comprobar

    Una medición intermedia habría cambiado este experimento.

Resultado

H²|0⟩=|0⟩.

Lo comprobamos

Aunque una medición entre las dos puertas daría resultados equiprobables, aquí no se ha medido en medio.

Los símbolos que hemos usado

|ψ⟩
Vector de estado puro, considerado salvo fase global.
Amplitud
Coeficiente complejo de un estado en una base.
Regla de Born
Probabilidad de un resultado como norma cuadrada de su proyección.
U†
Adjunto: conjugada traspuesta de la matriz U.
Unitaria
Operación U con U†U=UU†=I.
Producto tensorial
Construcción del espacio de estados de sistemas compuestos.
Entrelazamiento
Estado compuesto que no se escribe como producto de estados de sus partes, en el caso puro.

Ahora te toca a ti.

Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.

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