纯态

✍ dations ◷ 2025-04-03 17:16:32 #纯态

纯态(pure state)这个名词出现在几个领域,包括物理方面的量子力学以及数学方面的泛函分析理论。

在量子力学当中,纯态由一个相同统计系综(ensemble)所构成,而相对于纯态的混态(mixed state)则可以分解两个以上的系综。在量子力学中有诸多表示型(formalism),一个量子态可由密度矩阵或称密度算符表示,区分纯态和混态的方法即可由此得之。纯态S可用狄拉克符号的右括向量表示:

或写成密度矩阵表示型则为:

而混态的密度矩阵则为

就某种意义上来说,纯态也可以说成是混态中的一项特例。只要将上式 c i {displaystyle c_{i},} 其中一项设为1, c i {displaystyle c_{i},} 其他项皆为0,则纯态式子就可从混态式子中迸现出来。

区分纯态与混态的方法要利用到 t r ( ρ ) {displaystyle tr(rho ),} t r ( ρ ) {displaystyle tr(rho ),} 表示对矩阵 ρ {displaystyle rho ,} 取对角线元素和(trace),将纯态和混态做归一化动作,使得 t r ( ρ ) {displaystyle tr(rho ),} 之值皆会是1。

而两者不同处在于 t r ( ρ 2 ) {displaystyle tr(rho ^{2}),} :归一化过的纯态 t r ( ρ 2 ) = t r ( ρ ) = 1 {displaystyle tr(rho ^{2})=tr(rho )=1,} ,而归一化过的混态则 t r ( ρ 2 ) < 1 {displaystyle tr(rho ^{2})<1,} ,和 t r ( ρ ) = 1 {displaystyle tr(rho )=1,} 不同,由此得以辨别出纯态与混态。

ρ 1 = ( 1 2 1 2 1 2 1 2 ) {displaystyle rho _{1}={begin{pmatrix}{frac {1}{2}}&{frac {1}{2}}\{frac {1}{2}}&{frac {1}{2}}end{pmatrix}}} 为纯态, ρ 2 = ( 1 2 0 0 1 2 ) {displaystyle rho _{2}={begin{pmatrix}{frac {1}{2}}&0\0&{frac {1}{2}}end{pmatrix}}} 为混态

ρ 1 2 = ρ 1 ρ 1 = ( 1 2 1 2 1 2 1 2 ) {displaystyle rho _{1}^{2}=rho _{1}*rho _{1}={begin{pmatrix}{frac {1}{2}}&{frac {1}{2}}\{frac {1}{2}}&{frac {1}{2}}end{pmatrix}}} ρ 2 2 = ρ 2 ρ 2 = ( 1 4 0 0 1 4 ) {displaystyle rho _{2}^{2}=rho _{2}*rho _{2}={begin{pmatrix}{frac {1}{4}}&0\0&{frac {1}{4}}end{pmatrix}}}


量子退相干现象的过程中,与环境的相互作用会让密度矩阵的非对角线元素(off-diagonal elements)随时间衰减到0。也就是说在这个例子,随着时间 t {displaystyle t,} 逐渐增加,原本纯态 ρ 1 = ( 1 2 1 2 e t T 2 1 2 e t T 2 1 2 ) ρ 1 ( t = 0 ) = ( 1 2 1 2 1 2 1 2 ) {displaystyle rho _{1}={begin{pmatrix}{frac {1}{2}}&{frac {1}{2}}e^{-{frac {t}{T_{2}}}}\{frac {1}{2}}e^{-{frac {t}{T_{2}}}}&{frac {1}{2}}end{pmatrix}}Rightarrow rho _{1}(t=0)={begin{pmatrix}{frac {1}{2}}&{frac {1}{2}}\{frac {1}{2}}&{frac {1}{2}}end{pmatrix}}}

t {displaystyle {begin{matrix}{}^{trightarrow infty }\to \{}\{}\{}\{}end{matrix}}quad ,} 混态 ρ 2 = ( 1 2 0 0 1 2 ) {displaystyle rho _{2}={begin{pmatrix}{frac {1}{2}}&0\0&{frac {1}{2}}end{pmatrix}}}

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