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量子计算机非常厉害. 现假设某台量子计算机以每个粒子的自旋状态作为是子比特,且自旋状态只有上旋与下旋两种状态,其中下旋表示 "0", 上旋表示 "1", 粒子间的自旋状态相互独立. 现将两个初始状态均为叠加态的粒子收入第一道逻辑门后,粒子自旋状态等可能的变为上旋或下旋,再输入第二道逻辑门后,粒子的自旋状态有 p 的概率发生改变,记通过第二道逻辑门后的两个粒子中上旋粒子的个数为 X.

  1. 若通过第二道逻辑门后的两个粒子中上旋粒子的个数为 2, 且 p=13, 求两个粒子通过第一道逻辑门后上旋粒子个数为 2 的概率;
  2. 若一条信息有 n(n>1,n∈N∗) 种可能的情况且各种情况互斥,记这些情况发生的概率为 p1,⋯,pn, 则称 H=f(p1)+⋯+f(pn) (其中 f(x)=−xlog2⁡x) 为这条信息的信息熵. 试求两个粒子通过第二道逻辑门后上旋粒子个数为 X 的信息熵 H;
  3. 将一个下旋粒子输入第二道逻辑门,当粒子输出后变为上旋粒子时则停止输入,否则重复输入第二道逻辑门直至其变为上旋粒子,设停止输入时该粒子通过第二道逻辑门的次数为 Y(Y=1,2,3,⋯,n,⋯). 证明: 当 n 无限增大时,Y 的数学期望趋近于一个常数.

参考公式: 0<q<1 时,limn→+∞qn=0,limn→+∞nqn=0.

解答

  1. 解 记事件 (m,n) 表示经过第 m 道逻辑门后有 n 个上旋粒子. 由于粒子之间上下旋独立,故 P((2,2))=(12(1−p)+12p)2=14, 同理 P((2,0))=14. 这样,本题所求的概率为P((1,2)|(2,2))=P((1,2),(2,2))P(2,2)=122⋅(1−p)214=49.
  2. 解 由 1,P((2,1))=1−P((2,0))−P((2,2))=12, 从而H=−∑x=0,1,2P((2,x))log2⁡P((2,x))=32.
  3. 证明 由题意 P(Y=n)=p(1−p)n−1. 记 Sn=∑i=1ni(1−p)i−1, 运用错位相减法 Sn=1⋅1+2⋅(1−p)+⋯+n⋅(1−p)n−1(1−p)Sn=1⋅(1−p)+⋯+(n−1)⋅(1−p)n−1+n(1−p)n⇒pSn=∑i=0n−1(1−p)i−n(1−p)n=1p−(1−p)np−n(1−p)n.
    这样E(Y)=∑n=1+∞nP(Y=n)=limn→+∞pSn=1p.