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Problem 2 Inverse of CNOT Show that

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Academic year: 2021

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Universit¨at Regensburg, Institut f¨ur Theoretische Physik Summer 2020 Prof. Dr. Christoph Lehner, Andreas Hackl

Exercise: Quantum Computing

Problem set 1 (to be discussed in week of May 4, 2020)

Problem 1 Matrix representation of CNOT

In the lecture we showed that the matrix representation of

is

1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0

. (1)

Remember that we draw the least-significant qubit at the top and use the standard basis |00i,

|01i,|10i,|11i. Derive the matrix representation for

in the same basis.

Problem 2 Inverse of CNOT

Show that

= = = .

Problem 3 Relation of SWAP and CNOT

Show that

= = .

Problem 4 Universal one qubit gates

Show that the H and Rφ gates can generate an arbitrary two-dimensional unitary matrix. You may first show

X=HRπH (2)

1

(2)

and then restrict yourself to infinitesimal unitary matrices of the form

U =1+iεM +O(ε2) (3)

with Hermitian matrix M=M andε∈R. Show that

U1 =HRε2xH , U2 =Rπ/2HRε2yHR−π/2, U3 =Rεz, U4=XRεtX (4) with x, y, z, t∈Rare all of this form and their product maps out a generalM.

Problem 5 Universal gates

Show that adding a CNOT gate to a universal one-qubit gate is sufficient to generate an arbitrary unitary matrix in SN. Use the gate s(ij) defined in the lecture to extend the proof of Problem 4 to the general case of M in 2N dimensions.

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Referenzen

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