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Entrelazamiento y estados de Bell

Después de esta lección: Puedo construir un estado de Bell con las puertas H y CNOT y explicar por qué está entrelazado.

Lección de 75 min1 comandoLaboratorio de simulador cuántico: qubits, puertas y medición en JupyterLab

Dos qubits entrelazados siempre coinciden

El entrelazamiento cuántico une dos qubits para que sus resultados coincidan siempre. Aun así, cada uno por separado es un simple cara o cruz. El estado de Bell es el ejemplo más pequeño y se construye con dos puertas.

Verás cómo se describen dos qubits juntos, cómo se montan con listas y cómo se reconoce que están entrelazados.

Al final de esta lección

Nota

Puedo construir un estado de Bell con las puertas H y CNOT y explicar por qué está entrelazado.

Palabras clave

PalabraQué significaEjemplo
Producto tensorialel estado de dos qubits separados, juntos en una lista
CNOTpuerta de dos qubits que cambia el segundo si el primero es 1
Estado de Bellun estado entrelazado de dos qubits0.707|00> + 0.707|11>
Entrelazamientodos qubits que no se pueden describir por separado
Estado productoun estado de dos qubits que sí se puede separar

Las celdas que rellenan los estudiantes quedan en blanco en esta vista previa.

Dos qubits se describen con cuatro amplitudes

El estado de dos qubits es una lista de cuatro amplitudes, en este orden: 00, 01, 10 y 11. El primer dígito es el qubit de la izquierda, el qubit 0.

Para juntar dos qubits separados se multiplican sus amplitudes de todas las maneras. Es el producto tensorial: con [a, b] y [c, d] sale [a·c, a·d, b·c, b·d].

Ejemplo resuelto: dos qubits juntos

Primer qubitSegundo qubitLos dos juntos
[1, 0][1, 0][1, 0, 0, 0]
[0,707 ; 0,707][1, 0][0,707 ; 0 ; 0,707 ; 0]
[0, 1][0, 1][0, 0, 0, 1]

Las celdas que rellenan los estudiantes quedan en blanco en esta vista previa.

CNOT cambia el segundo qubit según el primero

CNOT usa dos qubits. Si el primero vale 0, no toca nada. Si vale 1, cambia el segundo, de 0 a 1 o de 1 a 0.

En la lista de cuatro amplitudes, solo se intercambian las de 10 y 11. Las de 00 y 01 se quedan donde están.

Recuerda: es un simulador

Nota

El laboratorio es un simulador en un ordenador normal, no un ordenador cuántico. Aquí el entrelazamiento es una lista de números, no un fenómeno real. Los scripts escriben en inglés: "after H on qubit 0" quiere decir "tras la puerta H en el qubit 0".

Construye un estado de Bell

Comando
docker exec jupyter python3 steps/bell.py

Se muestra aquí y no se ejecuta. Crea una cuenta gratuita para pulsar Ejecutar y escribirlo en el terminal de tu propio laboratorio.

Qué escribe el script del estado de Bell

Primero aplica H al qubit 0 y escribe 0.707|00> + 0.707|10>. Después aplica CNOT y escribe 0.707|00> + 0.707|11>: es el estado de Bell.

Con 1000 disparos salen solo 00 (507 veces) y 11 (493 veces). Nunca 01 ni 10: los dos qubits siempre coinciden.

Un estado entrelazado no se puede separar

Un estado producto es el de dos qubits que se pueden describir cada uno por su lado. En un estado producto, a·c · b·d es igual a a·d · b·c.

El estado de Bell no cumple esto: 0,707 por 0,707 es 0,5, y 0 por 0 es 0. Por eso está entrelazado: no hay dos listas de dos amplitudes que lo formen.

Un error frecuente

Advertencia

Mucha gente cree que el entrelazamiento permite mandar mensajes al instante. No es así. Cada qubit, mirado solo, sigue siendo una moneda al azar. Que coincidan solo se ve cuando comparas las dos listas de resultados, y eso necesita un canal normal.

El producto tensorial en Python

Código: python
# Un qubit en el estado de H y otro en 0, juntos.
a = [0.707, 0.707]
b = [1, 0]
juntos = [a[0] * b[0], a[0] * b[1], a[1] * b[0], a[1] * b[1]]
print(juntos)
# Cambia b a [0, 1] y pulsa Run otra vez.

Sobre este laboratorio y su código: Laboratorio de simulador cuántico: qubits, puertas y medición en JupyterLab

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