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.
Доказательство сверхполноты когерентных состояний. |
---|
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
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.
Примеры
[ редактировать ]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 ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Л. Коэн (1995), Частотно-временной анализ: теория и приложения , Прентис-Холл, Аппер-Седл-Ривер, Нью-Джерси, ISBN 0-13-594532-1
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ Мандель, Л .; Вольф, Э. (1995), Оптическая когерентность и квантовая оптика , Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета, ISBN 0-521-41711-2
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ Вольфганг Шляйх, Квантовая оптика в фазовом пространстве , (Wiley-VCH, 2001) ISBN 978-3527294350
- ^ Х. Дж. Кармайкл, Статистические методы в квантовой оптике I: основные уравнения и уравнения Фоккера-Планка , Springer-Verlag (2002).
- ^ CW Гардинер, Квантовый шум , Springer-Verlag (1991).