双粒子系统的非精确量子测量表示
Quantum #Optics
对于两个粒子组成的系统,通过测量掉其中一个粒子,会使得另外一个粒子的状态发生变化。如何用量子力学的语言严格的表述呢?测量有多种类型,假设测量时不精确的呢?这是本篇笔记想要总结的。
单粒子态的测量
在量子力学中,测量过程可以表示为
即通过测量,我们可以获得算符
根据量子力学的原理,我们测量某个量子态
同时测量以后,系统也由原来的叠加态塌缩到一个确定的状态
也可以定义测量投影算符
测量过程的完整表示为
或者直接写出归一化的末态
总结一下关键信息:
那么对于多粒子态呢?假设考虑两个粒子A,B的量子态,希尔伯特空间表示为
其中
和单粒子不同,此时
对双粒子态施加Partial 投影算符可以变为
此时的成功率为
测量后的量子态也是需要进行重新归一化
上述测量过程,也可以直接一步到位
因此,我们测量后,相应的量子态仍然是存在的,只是由原来的叠加态变成了确定性的态。
密度矩阵表示的测量
上述过程,只是表示了特定量子态的测量,实际的物理系统,不一定是纯态,所以用密度矩阵表示是更加一般性的做法,系统的密度矩阵表示为
那么测量之后(用算符
比如前面所述的两粒子系统,是一个纯态
那么我们对粒子1进行测量,测量后的量子态为
此时末态仍然是一个纯态。
非精确测量
我这里真正想要阐述的是,非精确测量,具体的内容可以参见下面的书
Quantum Noise, C.W. Gardiner and P. Zoller Chapter 2.
假设我们的探测精度有限,我们不能区分一些结果,此时我们的测量是投影算符的概率和
其中R表示总的测量算符的个数,
此时,我们的测量过程,应该表示为
非精确测量后的子系统
上述推导,通过投影测量的方式,给出了测量后的密度矩阵的表达式,但是我们真正关心的是,测量后,剩下的子系统的状态是什么样的呢?其实此时我们需要再取Partial Trace,还是考虑两粒子系统
那么测量后,密度矩阵为
对上述表达式取Partial Trace即可得到粒子2的密度矩阵
如果是精确测量
但是如果是非精确测量,我们不能直接写上述的形式,而是应该用标准写法!。
连续波函数举例
前面考虑的都是分立的系统,现在来考虑连续变量系统,考虑双粒子1,2的波函数
密度矩阵表示为
如果对粒子1进行测量,用
最后对测量的系统取Partial Trace
其中
测量后子系统保真度的计算
最后补充一下保真度的计算,假设目标量子态为
那么保真度,按照定义,应该表示为
或者简化一点