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定义Definition

Clifford 群

Clifford group · Pauli normalizer

以Pauli正规化子刻画Clifford门,逐项追踪H、S、CNOT的共轭与相位,并用T门说明有限可模拟结构和通用量子门之间的边界。

形式陈述 ​

取整数 n≥1。在 n 个 qubit 上,Pauli 群 Pn 由张量积 Pauli 算子与相位 {1,−1,i,−i} 组成。Clifford 群是保持它的酉矩阵正规化子:

Cn={U∈U(2n):UPnU†=Pn}.

也就是说,每个 Pauli 经 P↦UPU† 后仍是 Pauli,而不变成多个 Pauli 的一般线性组合。[1, §6.1]

这里的 U 是量子电路中的酉门。定义包含任意整体相位 eiθU;整体相位构成中心子群;对它取商群,才得到有限的 projective Clifford 群。相位商去的是门的整体相位,不是 Pauli 共轭结果中的正负号;后者会改变测量本征值。

常用生成门为

H=12(111−1),S=(100i),CNOT|a,b⟩=|a,a⊕b⟩.

任意 qubit Clifford 门都可由各位置的 H,S 和两位置 CNOT 生成,允许整体相位。这个生成结论针对完整 Clifford 群;它不表示这些门能生成任意酉门。

直觉

Pauli 算子像一套离散坐标尺,用来描述错误、测量和稳定子。一般酉门会把尺子转到任意方向,Clifford 门却只把它重新排列并可能翻转符号。

如果只想知道一种 Pauli 错误经过电路后变成什么,就不用追踪整个 2n 维态向量。更新这些离散坐标尺即可。这也是 Clifford 门适合稳定子纠错分析的原因。

例子与边界

单比特共轭表,符号也要保留 ​

直接进行矩阵乘法可得

门 X的像 Z的像 Y的像
H Z X −Y
S Y Z −X

例如 Y=iXZ,所以 HYH=iZX=−iXZ=−Y。若省略这个负号,会把本来确定为 −1 的测量误判为 +1。

只检查 Xi,Zi 生成元就足够:任意 Pauli 都是它们的乘积,而共轭保持乘法。它同时保持对易或反对易关系,因为

(UPU†)(UQU†)=U(PQ)U†.

这给出了用一小张生成元映射表指定 Clifford 作用的方法。

CNOT的四条基本传播式 ​

令第一位为控制、第二位为目标,则

XI⟼XX,ZI⟼ZI,IX⟼IX,IZ⟼ZZ.

控制端的比特翻转会改变是否翻转目标,因而变成两端的 X;目标端的相位翻转则会依赖控制值,反向扩成两端的 Z。

考虑先在第一位施 H、再施 CNOT 的复合门 U=CNOT(H⊗I)。按时间顺序逐步共轭:

X1↦Z1↦Z1,Z1↦X1↦X1X2,X2↦X2,Z2↦Z1Z2.

输入态 |00⟩ 的稳定子 Z1,Z2 因而变为 X1X2,Z1Z2,对应 Bell 态。这里同时出现了纠缠和紧凑的离散描述。

T门为何越过边界 ​

取 T=diag(1,eiπ/4)。计算得到

TXT†=X+Y2,TZT†=Z.

第一式不是 Pauli 群中的单个元素,所以 T∉C1。只保持某个稳定子或某一个测量轴,不足以成为 Clifford;定义要求保持全部 Pauli。

推论与应用

为什么这些门构成群,并能由少量门生成 ​

若 U,V 都把 Pauli 送回 Pauli,则 UV 的共轭也如此;逆门对应逆向排列,仍有同样性质。因此正规化子确实是一个群。

用 Pauli 的二元表示,每个 Clifford 给出一个保持对易关系的可逆线性变换。H 交换一对 X/Z 坐标,S 做同一 qubit 上的剪切,CNOT 做两位置之间的受控坐标相加。按二元消元的思路逐列消去坐标,可把任意这种变换化到单位变换,再用 Pauli 门调整剩余符号,由此得到 H,S,CNOT 的生成机制。[1, §6.3]

固定 n 后,2n 个生成元的带符号像只有有限种选择;它们确定 U 到整体相位。因此 Clifford 门虽然含连续的无物理影响相位,商去整体相位后的作用仍有限,不能逼近全部连续逻辑旋转。

Gottesman–Knill 定理利用这些更新规则经典模拟稳定子电路;故障传播利用它们定位错误扩散。它们都不声称纠缠无用,只是指出这类特定电路具有额外可处理结构。

在容错计算中,魔术态注入把非 Clifford 资源放进辅助态,再用 Clifford 门、测量与前馈实现目标门。这样不会与本页的闭包性矛盾,因为初始资源已经超出纯稳定子设置。

参考资料
关系图谱18 个相邻概念 · 3 类关系

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