测量与退相干
目录
1 von Neumann 的测量方案 2
2 简化的测量模型 2
1
1 von Neumann 的测量方案
假定有两个系, 一个是被测的系统 𝑄, 一个是用于测量的仪器 𝑀. 可以在
𝑄
𝑀
空间中分别描
述它们, 那么量体的量子态处于直积空间中
𝑄
𝑀
将仪器的初态制备为 𝜑, 被测系统 𝑄 的观测量记为 𝐴,𝐴 算符可以以自己的本征态
|
𝛼
为基展开
𝐴 =
Õ
𝑖
𝑎
𝑖
|
𝛼
𝑖
𝛼
𝑖
|
测量过程是 𝑄 𝑀 相互作用共同演化的过程, 设时间演化算子为 𝑈, 那么测量过程可以写为
|
𝛼
𝑖
|
𝜑
𝑈
𝑈 (
|
𝛼
𝑖
|
𝜑
) =
|
𝛼
𝑖
|
𝛽
𝑖
其中
|
𝛽
𝑖
是仪器 𝑀 指针观测量的本征态, 表征测量结果, 不同的测量结果对应不同
|
𝛽
𝑖
, 意味
|
𝛽
𝑖
彼此正交
当被测系统 𝑄 处于叠加态
|
𝜓
=
Õ
𝑖
𝑐
𝑖
|
𝛼
𝑖
那么两体系统的演化为
|
𝜓
|
𝜑
𝑈
𝑈 (
|
𝜓
|
𝜑
) =
Õ
𝑖
𝑐
𝑖
|
𝛼
𝑖
|
𝛽
𝑖
被测系统和仪器共同演化为了一个纠缠态, 然后仪器的指针观测量将给出明确的值, 即观测结果
2 简化的测量模型
设系统和仪器都是双值系统, 分别以它们的 𝑧 方向自旋为基, 其相互作用的 Hamilton 量可以表示为
𝐻 = 𝑔𝜎
𝑧
𝜎
𝑦
哈密顿量不含时, 那么可以给出时间演化算子
𝑈(𝜏) = exp
𝑖
𝐻𝑡
=
©
«
cos 𝜏 sin 𝜏 0 0
sin 𝜏 cos 𝜏 0 0
0 0 cos 𝜏 sin 𝜏
0 0 sin 𝜏 cos 𝜏
ª
®
®
®
®
®
¬
, 𝜏 = 𝑔𝑡
系统的初态为
|
𝜓
|
𝜑
,
|
𝜓
= 𝑎
0
|
0
+ 𝑎
1
|
1
,
|
𝜑
= 𝑏
0
|
0
+ 𝑏
1
|
1
其密度矩阵为
𝜌 =
©
«
|𝑎
0
𝑏
0
|
2
|𝑎
0
|
2
𝑏
0
𝑏
1
|𝑏
0
|
2
𝑎
0
𝑎
1
𝑎
0
𝑏
0
𝑎
1
𝑏
1
|𝑎
0
|
2
𝑏
1
𝑏
0
|𝑎
0
𝑏
1
|
2
𝑎
1
𝑏
0
𝑎
0
𝑏
1
|𝑏
1
|
2
𝑎
0
𝑎
1
|𝑏
0
|
2
𝑎
1
𝑎
0
𝑎
1
𝑏
1
𝑎
0
𝑏
1
|𝑎
1
𝑏
0
|
2
|𝑎
1
|
2
𝑏
0
𝑏
1
𝑎
1
𝑏
1
𝑎
0
𝑏
0
|𝑏
1
|
2
𝑎
1
𝑎
0
|𝑎
1
|
2
𝑏
1
𝑏
0
|𝑎
1
𝑏
1
|
2
ª
®
®
®
®
®
¬
施加变换得到
𝜌(𝜏) = 𝑈(𝜏) 𝜌𝑈
(𝜏)
由于矩阵过于复杂, 在此不做展示. 若取
|
𝜑
=
|
0
, 那么
𝜌(𝜏) =
©
«
|𝑎
0
|
2
cos
2
𝜏 |𝑎
0
|
2
cos 𝜏 sin 𝜏 𝑎
0
cos
2
𝜏 𝑎
1
𝑎
0
cos 𝜏 sin 𝜏 𝑎
1
|𝑎
0
|
2
cos 𝜏 sin 𝜏 |𝑎
0
|
2
sin
2
𝜏 𝑎
0
cos 𝜏 sin 𝜏 𝑎
1
𝑎
0
sin
2
𝜏 𝑎
1
𝑎
1
cos
2
𝜏 𝑎
0
𝑎
1
cos 𝜏 sin 𝜏 𝑎
0
|𝑎
1
|
2
cos
2
𝜏 |𝑎
1
|
2
cos 𝜏 sin 𝜏
𝑎
1
cos 𝜏 sin 𝜏 𝑎
0
𝑎
1
sin
2
𝜏 𝑎
0
|𝑎
1
|
2
cos 𝜏 sin 𝜏 |𝑎
1
|
2
sin
2
𝜏
ª
®
®
®
®
®
¬
𝑄 求迹得到 𝑀 的局部密度矩阵
𝜌
𝑀
(𝜏) = 𝑇𝑟
𝑄
𝜌(𝜏) =
cos
2
𝜏
1 + 2|𝑎
1
|
2
cos 𝜏 sin 𝜏
1
+
2
|
𝑎
1
|
2
cos
𝜏
sin
𝜏
sin
2
𝜏
!
此时可以取三个不同的观测量为指针观测量. 假定选取 𝑧 方向自旋, 测量结果显然是
𝑝(𝑧+) = cos
2
𝜏, 𝑝(𝑧−) = sin
2
𝜏
这非常平凡, 不带有任何关于 𝑄 的信息
不过若是选择 𝑥 方向自旋作为指针观测量, 那么
𝑝(𝑥+) =
1
2
cos 𝜏 sin 𝜏 + |𝑎
1
|
2
sin 2𝜏, 𝑝(𝑥−) =
1
2
+ cos 𝜏 sin 𝜏 |𝑎
1
|
2
sin 2𝜏
为了得到测量后的密度矩阵, 有投影算子
𝑀𝑄
+
=
1
2
1 1
1 1
!
, 𝑀𝑄
=
1
2
1 1
1 1
!
那么两体系统的投影算子为
𝑀
+
= I 𝑀𝑄
+
=
1
2
©
«
1 1 0 0
1 1 0 0
0 0 1 1
0 0 1 1
ª
®
®
®
®
®
¬
, 𝑀
= I 𝑀𝑄
=
1
2
©
«
1 1 0 0
1 1 0 0
0 0 1 1
0 0 1 1
ª
®
®
®
®
®
¬
测量后的密度矩阵就是
𝜌(𝜏)
= 𝑀
+
𝜌(𝜏) 𝑀
+
+ 𝑀
𝜌(𝜏) 𝑀
=
©
«
1
2
|𝑎
0
|
2
|𝑎
0
|
2
cos 𝜏 sin 𝜏
1
2
𝑎
0
cos 2𝜏 𝑎
1
0
|𝑎
0
|
2
cos 𝜏 sin 𝜏
1
2
|𝑎
0
|
2
0
1
2
𝑎
0
cos 2𝜏 𝑎
1
1
2
𝑎
1
cos 2𝜏 𝑎
0
0
1
2
|𝑎
1
|
2
|𝑎
1
|
2
cos 𝜏 sin 𝜏
0
1
2
𝑎
1
cos 2𝜏 𝑎
0
|𝑎
1
|
2
cos 𝜏 sin 𝜏
1
2
|𝑎
1
|
2
ª
®
®
®
®
®
¬
𝑄 求迹得到 𝑀 的局部密度矩阵
𝜌
𝑀
(𝜏)
= 𝑇𝑟
𝑄
𝜌(𝜏)
=
|𝑎
0
|
2
𝑎
0
𝑎
1
cos 2𝜏
𝑎
0
𝑎
1
cos 2𝜏 |𝑎
1
|
2
!
可以对比未经测量的密度矩阵
𝜌
𝐴
=
|𝑎
0
|
2
𝑎
0
𝑎
1
𝑎
0
𝑎
1
|𝑎
1
|
2
!
可见其相干性下降了, 此时对应非理想测量. 更进一步若是取 𝜏 =
𝜋
4
, 那么
𝑝(𝑥+) = |𝑎
1
|
2
, 𝑝 (𝑥−) = |𝑎
2
|
2
这正是理想测量, 此时测量后的密度矩阵为
𝜌
=
|𝑎
0
|
2
0
0 |𝑎
1
|
2
!
变为混合态, 丧失了所有相干性