We show how representations of finite-dimensional quantum operators can be constructed using nondeterministic rewriting systems. In particular, we investigate Wolfram model multiway rewriting systems based on string substitutions. Multiway systems were proposed by S. Wolfram as generic model systems for multicomputational processes, emphasizing their significance as a foundation for modeling complexity, nondeterminism, and branching structures of measurement outcomes. Here, we investigate a specific class of multiway systems based on cyclic character strings with a neighborhood constraint - the latter called Leibnizian strings. We show that such strings exhibit a Fermi-Dirac distribution for expectation values of occupation numbers of character neighborhoods. A Leibnizian string serves as an abstraction of a $N$-fermion system. A multiway system of these strings encodes causal relations between rewriting events in a nondeterministic manner. The collection of character strings realizes a $\mathbb{Z}$-module with a symmetric $\mathbb{Z}$-bilinear form. For discrete spaces, this generalizes the notion of an inner product over a vector field. This admits a discrete analogue of the path integral and a $S$-matrix for multiway systems of Leibnizian strings. The elements of this $S$-matrix yield transition amplitudes between states of the multiway system based on an action defined over a sequence of Leibnizian strings. We then show that these $S$-matrices give explicit representations of quantum gates for qubits and qudits, and also circuits composed of such gates. We find that, as formal models of nondeterministic computation, rewriting systems of Leibnizian strings with causal structure encode representations of the CNOT, $π/8$, and Hadamard gates. Hence, using multiway systems one can represent quantum circuits for qubits.


翻译:本文展示了如何利用非确定性重写系统构建有限维量子算子的表示。具体而言,我们研究了基于字符串替换的Wolfram模型多路重写系统。多路系统由S. Wolfram提出,作为多计算过程的通用模型系统,其重要性在于为建模测量结果的复杂性、非确定性和分支结构提供了基础。在此,我们研究一类基于具有邻域约束的循环字符串的特殊多路系统——这类字符串被称为莱布尼茨字符串。我们证明此类字符串在字符邻域占据数的期望值上呈现费米-狄拉克分布。一个莱布尼茨字符串可抽象为一个$N$-费米子系统。这些字符串构成的多路系统以非确定性方式编码重写事件间的因果关系。字符串集合实现了带有对称$\mathbb{Z}$-双线性形式的$\mathbb{Z}$-模。对于离散空间,这推广了向量场上内积的概念。由此可导出莱布尼茨字符串多路系统的路径积分离散模拟及$S$-矩阵。该$S$-矩阵的元素基于莱布尼茨字符串序列定义的作用量,给出了多路系统状态间的跃迁振幅。我们进一步证明这些$S$-矩阵为量子比特和量子dit的量子门以及由此类门组成的电路提供了显式表示。研究发现,作为非确定性计算的形式模型,具有因果结构的莱布尼茨字符串重写系统编码了CNOT门、$π/8$门和Hadamard门的表示。因此,利用多路系统可以表示量子比特的量子电路。

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