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Prove that the following quantum gate array over{C−NOT, C−V, C−V∗}computes U

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Academic year: 2021

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Lehr- und Forschungsgebiet

Mathematische Grundlagen der Informatik RWTH Aachen

Prof. Dr. E. Grädel, D. Fischer, T. Ganzow, B. Puchala

WS 09/10

Complexity Theory and Quantum Computing — Assignment 10

Due: Monday, January 18, 12:00 Exercise 1

Prove that any unitary matrix U Cn×n has a square root, that means, there is a unitary matrixV such thatV ·V =U.

Hint:Use the fact thatU is diagonalizable via a basis-transformation with an orthonormal basis of Cn, consisting of eigenvectors ofU.

Exercise 2

Let U Cn×n be a unitary matrix and let V Cn×n be a square root of U. Prove that the following quantum gate array over{C−NOT, C−V, C−V}computes U.

1

2

3 V V V

Exercise 3

Consider the following quantum gate array,

1 T

2 T T S

3 H T T T T H

where the gatesS,T andH are given by the following unitary matrices.

S = 1 0 0 i

!

,T = 1 0

0 eiπ/4

!

,H = 1

2

1 1 1 −1

! . Prove that this QGA computes the Toffoli-gate.

Hint: Calculate appropriate products of the matrices S, T, H and C−NOT and prove that the given QGA maps any state |0yzi to |0yzi, any state |10zi to |10zi and any state |11zi to

|1i ⊗ |1i ⊗ |1⊕zi.

http://www.logic.rwth-aachen.de/Teaching/KTQC-WS09/

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