貝爾態(Bell States)是屬於量子信息學領域的一個術語,用於描述兩個量子比特(Qubit)系統的四種最大糾纏態。它得名於愛爾蘭物理學家,著名的貝爾不等式的提出者約翰·斯圖爾特·貝爾。
公式定義,公式案例,
公式定義
對於一個量子比特A,它的本徵態用狄拉克符號表示可以是|0>或|1>. 所以一個量子比特的量子態可以表示為這兩個本徵態的線性疊加:
|A> = α|0> + β|1> ; (α, β為複數)
體現為當我們對A做投影測量, 結果得到|0>和|1>的幾率分別是|α|^2和|β|^2, 且|α|^2+|β|^2=1.
對於由兩個相互之間沒有關聯的量子比特A和B組成的系統, 量子態可以表示為A和B各自量子態的張量積:
|2qubits> = |A> ⊗|B>
=(αA)(αB)|00> + (αA)(βB)|01> + (βA)(αB)|10> + (βA)(βB)|11>
也就是說, 兩個獨立量子比特的狀態可以用這組基底來線性表示:|00>, |01>, |10>, |11>. 換個說法系統是兩個比特同時出現|0>,只有A或只有B出現|0>及兩個比特同時出現|1>的幾率線性疊加.
公式案例
如果兩個比特之間發生了量子糾纏,就是說這兩個量子比特的狀態是相關的。雖然也可以使用上述基底描述波函式, 但是顯然不能反映相關性。 於是我們可以換一個角度來描述測量的結果:“兩個比特相同” (|Φ>)和“兩個比特不同” (|Ψ>), 顯然波函式也可以這樣來描述:
|2qubits> = α|Φ> + β|Ψ>
而兩個比特相同的狀態可以描述為|00> + |11>, 不同的狀態可以描述為|01> + |10>, 如果承載兩個比特的粒子是交換反對稱的話, 就是|00>-|11> 和 |01> - |10>.
然後歸一化純態後就得到了這樣一組基底:
|Φ+> = (|00> + |11>) / sqrt(2);
|Φ-> = (|00> - |11>) / sqrt(2);
|Ψ+> = (|01> + |10>) / sqrt(2);
|Ψ-> = (|01> - |10>) / sqrt(2);
任何一組二粒子狀態都可以表示為這四組新的基態的線性疊加。可以看出是之前獨立狀態下的基底經過一個正變換的結果, 更換為這個基底的波函式其實只是變換了表象,波函式的值不變。
所以在最大糾纏的狀況下,兩個比特的測量結果“一定相同”或者“一定不同”, 表現為這四種基態的一種, 它們也被稱之為貝爾態。