第 035 题 / 40

2023 年 10 月 11 日，中国科学技术大学潘建伟团队成功构建 255 个光子的量子计算机原型机 “九章三号”，求解高斯玻色取样数学问题比目前全球是快的超级计算机快一亿亿倍.相较传统计算机的经典比特只能处于 0 态或 1 态, 量子计算机的量子比特 (qubit) 可同时处于 0 与 1 的叠加态, 故每个量子比特处于 0 态或 1 态是基于概率进行计算的. 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输入第一道逻辑门后，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 $p = \frac{1}{3}$ ,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 $n\left( {n > 1,n \in {\mathbf{N}}^{ * }}\right)$种可能的情况且各种情况互斥,记这些情况发生的概率分别为 ${p}_{1},{p}_{2},\ldots ,{p}_{n}$ ,则称 $H = f\left( {p}_{1}\right) + f\left( {p}_{2}\right) + \cdots + f\left( {p}_{n}\right)$ (其中 $f\left( x\right) = - x{\log }_{2}x$ ) 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 $Y\left( {Y = 1,2,3,\cdots ,n,\cdots }\right)$ . 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， $\mathop{\lim }\limits_{{n \rightarrow + \infty }}{q}^{n} = 0$ ， $\mathop{\lim }\limits_{{n \rightarrow + \infty }}n{q}^{n} = 0$ .