Jump to content

Распределение квазивероятностей

Распределение квазивероятностей — это математический объект, похожий на распределение вероятностей , но ослабляющий некоторые аксиомы Колмогорова теории вероятностей . Квазивероятности имеют некоторые общие черты с обычными вероятностями, такие как, что особенно важно, способность получать значения математического ожидания относительно весов распределения . Однако они могут нарушать аксиому σ -аддитивности : интегрирование по ним не обязательно дает вероятности взаимоисключающих состояний. Действительно, распределения квазивероятностей также имеют области отрицательной плотности вероятности , что противоречит первой аксиоме . Распределения квазивероятностей естественным образом возникают при изучении квантовой механики , когда ее рассматривают в формулировке фазового пространства , обычно используемой в квантовой оптике , частотно-временном анализе , [1] и в других местах.

Введение

[ редактировать ]

В самом общем виде динамика квантово-механической системы определяется главным уравнением в гильбертовом пространстве : уравнением движения для оператора плотности (обычно записываемого ) системы. Оператор плотности определен относительно полного ортонормированного базиса . Хотя можно напрямую интегрировать это уравнение для очень маленьких систем (т. е. систем с небольшим количеством частиц или степеней свободы), для более крупных систем это быстро становится невыполнимым. Однако можно доказать [2] что оператор плотности всегда можно записать в диагональной форме, если только он относится к сверхполному базису. Когда оператор плотности представлен в таком сверхполном базисе, то его можно записать в виде, более напоминающем обычную функцию, за счет того, что функция имеет черты квазивероятностного распределения. В этом случае эволюция системы полностью определяется эволюцией функции распределения квазивероятностей.

Когерентные состояния , т.е. правые собственные состояния оператора уничтожения служат сверхполной базисом в описанной выше конструкции. По определению когерентные состояния обладают следующим свойством:

У них также есть еще несколько интересных свойств. Например, никакие два когерентных состояния не являются ортогональными. В самом деле, если | α 〉 и | β 〉 — пара когерентных состояний, то

Обратите внимание, что эти состояния, однако, правильно нормализованы с помощью 〈 α | α 〉 = 1. Ввиду полноты базиса фоковских состояний выбор базиса когерентных состояний должен быть сверхполным. [3] Нажмите, чтобы показать неофициальное доказательство.

Однако в основе когерентных состояний всегда возможно [2] выразить оператор плотности в диагональной форме

где f представляет собой распределение фазового пространства. Эта функция f считается плотностью квазивероятности, поскольку она обладает следующими свойствами:

  • (нормализация)
  • Если — это оператор, который можно выразить как степенной ряд операторов рождения и уничтожения в порядке Ω, то его математическое ожидание равно
( теорема оптической эквивалентности ).

Существует семейство различных представлений, каждое из которых связано с различным порядком Ω. Наиболее популярным в общефизической литературе и исторически первым из них является квазивероятностное распределение Вигнера . [4] что связано с симметричным упорядочением операторов. В частности, в квантовой оптике часто интересующие операторы, особенно оператор числа частиц , естественным образом выражаются в нормальном порядке . В этом случае соответствующим представлением распределения фазового пространства является P-представление Глаубера – Сударшана . [5] Квазивероятностный характер этих распределений в фазовом пространстве лучше всего понятен в P- представлении благодаря следующему ключевому утверждению: [6]

Если квантовая система имеет классический аналог, например когерентное состояние или тепловое излучение , то P всюду неотрицательно, как обычное распределение вероятностей. Однако если квантовая система не имеет классического аналога, например, некогерентного состояния Фока или запутанной системы , то P где-то отрицательна или более сингулярна, чем дельта-функция .

Это радикальное утверждение не действует в других представлениях. Например, функция Вигнера состояния ЭПР положительно определена, но не имеет классического аналога. [7] [8]

Помимо определенных выше представлений, существует множество других распределений квазивероятностей, возникающих в альтернативных представлениях распределения фазового пространства. Другое популярное представление — представление Хусими Q , [9] что полезно, когда операторы находятся в антинормальном порядке. Совсем недавно положительное P- представление и более широкий класс обобщенных P -представлений использовались для решения сложных задач квантовой оптики. Все они эквивалентны и взаимоконвертируемы друг в друга, а именно. Функция распределения классов Коэна .

Характеристические функции

[ редактировать ]

Аналогично теории вероятностей, квантовые распределения квазивероятностей.можно записать через характеристические функции ,из которого могут быть получены все ожидаемые значения оператора. Характеристикафункции для распределений Вигнера, Глаубера P и Q системы N- модследующие:

Здесь и представляют собой векторы, содержащие операторы уничтожения и создания для каждой моды.системы. Эти характеристические функции можно использовать для прямой оценки ожидаемых значений моментов оператора. Порядок операторов уничтожения и рождения в эти моменты специфичен для конкретной характеристической функции. Например, нормально упорядоченные (операторы рождения, предшествующие операторам уничтожения) моменты можно оценить следующим образом: :

Точно так же средние значения антинормально упорядоченных и симметрично упорядоченных комбинаций операторов уничтожения и рождения могут быть оценены из характеристических функций для распределений Q и Вигнера соответственно. Сами функции квазивероятности определяются как преобразования Фурье указанных выше характеристических функций. То есть,

Здесь и могут быть идентифицированы как амплитуды когерентного состояния в случае глауберовских распределений P и Q, но просто как c-числа для функции Вигнера. Поскольку дифференцирование в нормальном пространстве превращается в умножение в пространстве Фурье, моменты можно вычислить по этим функциям следующим образом:

Здесь обозначает симметричный порядок.

Все эти представления взаимосвязаны посредством свертки с помощью функций Гаусса , преобразований Вейерштрасса ,

или, используя свойство ассоциативности свертки ,

Отсюда следует, что

часто расходящийся интеграл, указывающий, что P часто является распределением. Q всегда шире, чем P для той же матрицы плотности. [10]

Например, для теплового состояния

у одного есть

Эволюция времени и соответствия операторов

[ редактировать ]

Поскольку каждое из приведенных выше преобразований от ρ к функциям распределения является линейным , уравнение движения для каждого распределения можно получить, выполнив те же преобразования для . Более того, поскольку любое основное уравнение , которое можно выразить в форме Линдблада, полностью описывается действием комбинаций операторов уничтожения и рождения на оператор плотности, полезно рассмотреть влияние таких операций на каждую из функций квазивероятности. [11] [12]

Например, рассмотрим оператор уничтожения действующий на ρ . Для характеристической функции распределения P имеем

Выполнив преобразование Фурье по отношению к найтидействие, соответствующее действию на глауберовскую P-функцию, находим

Следуя этой процедуре для каждого из приведенных выше дистрибутивов, можно получить следующее: Соответствия оператора можно идентифицировать:

Здесь κ = 0, 1/2 или 1 для распределений P, Вигнера и Q соответственно. Таким образом, основные уравнения могут быть выражены в виде уравненийдвижение квазивероятностных функций.

Когерентное состояние

[ редактировать ]

По построению P для когерентного состояния это просто дельта-функция:

Представления Вигнера и Q непосредственно следуют из приведенных выше формул гауссовой свертки:

Представление Хусими также можно найти, используя приведенную выше формулу для скалярного продукта двух когерентных состояний:

Фокское государство

[ редактировать ]

- P представление состояния Фока является

Поскольку при n>0 это более сингулярно, чем дельта-функция, состояние Фока не имеет классического аналога. Неклассичность становится менее очевидной при использовании гауссовских сверток. Если L n — n-й полином Лагерра , W

который может стать отрицательным, но ограничен.

Q , напротив, всегда остается положительным и ограниченным,

Затухающий квантовый гармонический генератор

[ редактировать ]

Рассмотрим затухающий квантовый гармонический осциллятор со следующим основным уравнением:

Это приводит к уравнению Фоккера–Планка :

где κ = 0, 1/2, 1 для представлений P , W и Q соответственно.

Если система изначально находится в когерентном состоянии , то это уравнение имеет решение

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ Л. Коэн (1995), Частотно-временной анализ: теория и приложения , Прентис-Холл, Аппер-Седл-Ривер, Нью-Джерси, ISBN   0-13-594532-1
  2. ^ Jump up to: а б Сударшан, ЭКГ (1 апреля 1963 г.). «Эквивалентность полуклассических и квантовомеханических описаний статистических световых лучей». Письма о физических отзывах . 10 (7). Американское физическое общество (APS): 277–279. Бибкод : 1963PhRvL..10..277S . дои : 10.1103/physrevlett.10.277 . ISSN   0031-9007 .
  3. ^ Клаудер, Джон Р. (1960). «Вариант действия и фейнмановское квантование спинорных полей в терминах обычных c-числов». Анналы физики . 11 (2). Эльзевир Б.В.: 123–168. Бибкод : 1960АнФиз..11..123К . дои : 10.1016/0003-4916(60)90131-7 . ISSN   0003-4916 .
  4. ^ Вигнер, Э. (1 июня 1932 г.). «О квантовой поправке к термодинамическому равновесию». Физический обзор . 40 (5). Американское физическое общество (APS): 749–759. Бибкод : 1932PhRv...40..749W . дои : 10.1103/physrev.40.749 . ISSN   0031-899X .
  5. ^ Глаубер, Рой Дж. (15 сентября 1963 г.). «Когерентные и некогерентные состояния радиационного поля». Физический обзор . 131 (6). Американское физическое общество (APS): 2766–2788. Бибкод : 1963PhRv..131.2766G . дои : 10.1103/physrev.131.2766 . ISSN   0031-899X .
  6. ^ Мандель, Л .; Вольф, Э. (1995), Оптическая когерентность и квантовая оптика , Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета, ISBN  0-521-41711-2
  7. ^ Коэн, О. (1 ноября 1997 г.). «Нелокальность исходного состояния Эйнштейна-Подольского-Розена». Физический обзор А. 56 (5). Американское физическое общество (APS): 3484–3492. Бибкод : 1997PhRvA..56.3484C . дои : 10.1103/physreva.56.3484 . ISSN   1050-2947 .
  8. ^ Банашек, Конрад; Водкевич, Кшиштоф (1 декабря 1998 г.). «Нелокальность состояния Эйнштейна-Подольского-Розена в представлении Вигнера». Физический обзор А. 58 (6): 4345–4347. arXiv : Quant-ph/9806069 . Бибкод : 1998PhRvA..58.4345B . дои : 10.1103/physreva.58.4345 . ISSN   1050-2947 . S2CID   119341663 .
  9. ^ Хусими, Коди. Некоторые формальные свойства матрицы плотности . Труды Физико-математического общества Японии. Том. 22. Математическое общество Японии. стр. 264–314. дои : 10.11429/ppmsj1919.22.4_264 . ISSN   0370-1239 .
  10. ^ Вольфганг Шляйх, Квантовая оптика в фазовом пространстве , (Wiley-VCH, 2001) ISBN   978-3527294350
  11. ^ Х. Дж. Кармайкл, Статистические методы в квантовой оптике I: основные уравнения и уравнения Фоккера-Планка , Springer-Verlag (2002).
  12. ^ CW Гардинер, Квантовый шум , Springer-Verlag (1991).
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 0bffc18b11c7e89fba5268360f770cd1__1719142680
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/0b/d1/0bffc18b11c7e89fba5268360f770cd1.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Quasiprobability distribution - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)