
即得到了原来的混合态 𝜌
𝐴
. 这种通过引入辅助系统将混合态表示为纯态的方法称为纯化. 显然纯化不是
唯一的, GHJW 定理说明了任意两种纯化方式都可以通过在辅助系统上施加适当的酉变换相互转换. 设
有两种纯化方式
|
𝜓
⟩
𝐴𝐵
=
Õ
𝑖
√
𝑝
𝑖
|
𝑖
⟩
𝐴
⊗
|
𝑖
⟩
𝐵
,
|
𝜙
⟩
𝐴𝐵
=
Õ
𝑗
√
𝑞
𝑗
|
𝑗
⟩
𝐴
⊗
|
𝑗
⟩
𝐵
对于纯态, 可以进行 Schmidt 分解, 将 𝐴 部分的基底取为 𝜌
𝐴
的本征矢
|
𝑘
⟩
𝐴
, 则有
|
𝜓
⟩
𝐴𝐵
=
Õ
𝑘
p
𝜆
𝑘
|
𝑘
⟩
𝐴
⊗
|
𝑢
𝑘
⟩
𝐵
,
|
𝜙
⟩
𝐴𝐵
=
Õ
𝑘
p
𝜆
𝑘
|
𝑘
⟩
𝐴
⊗
|
𝑣
𝑘
⟩
𝐵
那么这两个态的区别仅在于 𝐵 部分的基底不同. 由于 {
|
𝑢
𝑘
⟩
𝐵
} 和 {
|
𝑣
𝑘
⟩
𝐵
} 都是 𝐵 子空间的正交归一基底,
因此存在酉变换 𝑈
𝐵
使得
|
𝑣
𝑘
⟩
𝐵
= 𝑈
𝐵
|
𝑢
𝑘
⟩
𝐵
从而
|
𝜙
⟩
𝐴𝐵
= (𝟙
𝐴
⊗ 𝑈
𝐵
)
|
𝜓
⟩
𝐴𝐵
3 广义测量与 Naimark 定理
3.1 广义测量
在量子系统中, 一个物理量 𝑀 可以展开为其本征值和本征矢的线性组合
𝑀 =
Õ
𝑚
𝑚
|
𝑚
⟩ ⟨
𝑚
|
如果系统的态为
|
𝜓
⟩
, 那么测量得到 𝑚 的概率为
𝑝
𝑚
=
|⟨
𝑚|𝜓
⟩|
2
=
⟨
𝜓
| |
𝑚
⟩ ⟨
𝑚
| |
𝜓
⟩
=
⟨
𝜓
|
𝑃
𝑚
|
𝜓
⟩
其中 𝑃
𝑚
=
|
𝑚
⟩ ⟨
𝑚
|
是投影算符. 显然投影算符之间是正交的
𝑃
𝑚
𝑃
𝑚
′
= 𝛿
𝑚𝑚
′
𝑃
𝑚
并且完备
Õ
𝑚
𝑃
𝑚
= 𝐼
这称为投影测量, 也即 PVM. 完备性是测量操作必须的, 因为需要满足得到各个结果的概率之和为 1. 不
严谨地说, 如果对于一组测量算符 {𝐸
𝑚
}, 它们满足完备关系
Õ
𝑚
𝐸
𝑚
= 𝕀
但是不满足正交关系, 那么它们称为正定算符值测量 (Positive Operator-Valued Measure, POVM), 也即
广义测量. 广义测量在实际中更为常见, 一个典型的例子是有噪声的探测器. 对于一个准确率 90% 的探
测器而言, 其测得 0 和测得 1 的投影算符逻辑上应该描述为
⟨
0
|
𝑀
0
|
0
⟩
= 0.9,
⟨
1
|
𝑀
0
|
1
⟩
= 0.1,
⟨
0
|
𝑀
1
|
0
⟩
= 0.1,
⟨
1
|
𝑀
1
|
1
⟩
= 0.9