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,我们可以获得算符的本征值 ,如果量子态处在叠加态

根据量子力学的原理,我们测量某个量子态,测量得到相应本征态的概率为

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:

  • 测量的概率就是概率幅的模的平方
  • 测量后的量子态需要重新归一化

    双粒子态的局域测量

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 ,量子态表示为

其中

和单粒子不同,此时的“系数”是 中的一个矢量 ,此时需要重新定义Partial projector

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(用算符表示)系统的密度矩阵表示为

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,

代表了每一种状态下的概率幅,一般需要归一化表示

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

如果是精确测量我们可以用下面的表达式

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,用表示

表示探测器在不同位置的置信度。按照标准的做法,测量后的系统应该表示为

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