2024年3月17日 星期日

C^2 複數2維向量映射巴拿赫球面

 巴拿赫球面是將2x1維度複數行向量映射到半徑為1的過程方法,條件是二個複數的長度平方和等於1,之所以加這條件是球是三維空間自由度,二個複數有4個自由度,有了這條件等於減掉一個自由度,這樣就有機會找出一對一的關係,也確實如此。量子電腦程式設計課的量子態由這樣的矩陣來代表,老師的教學過程跳過這一步,直接將結果做驗證,當然全部符合,學生學到的只是熟悉計算過程,對於量子態為什麼對應到球面特殊點仍是一頭霧水。找了許久,補充說明:

先將二個複數係數訂為a1, a2, b1, b2,即 a = a1 + a2*i , b = b1 + b2*i 。因上述條件,<a,a> + <b,b> = 1,且球座標用r, theta, phi 做變數,r 又是1 ,所以剩二個角度完全決定座標點坐落何方。其餘過程大學座標對應過程你會的。引入theta,配合尤拉公式,cos(theta) + i * sin(theta),將 a 長度對應至z,b對應至xy平面的投影。自然b的實部應至x,虛部對應至y,這樣就會是半球和複數2x1維的易理解的對應。但是有一缺憾,就是赤道所有點都代表同一個複數基態 |1>,這缺憾是數學物理學家無法容忍的,於是想出了將半球帳篷繼續下拉變圓球,那麼赤道又漸漸縮小到南廻歸線最終大家匯集至南極,這時又縮回一點了,成為完美對應。