名古屋大学 情報学研究科 数理情報学専攻 2017年8月実施 問題6 量子力学
Author
Miyake
Description
題意の要約。出典:名古屋大学公表問題。
実数 a,b,c,d に対して
A=(ab+icb−icd)
とし、次の行列を用いる。
I=(1001),X=(0110),Y=(0i−i0),Z=(100−1),i2=−1.
- A が量子力学の観測量に対応することを示せ。
- X,Y,Z の固有値と固有状態をそれぞれ求めよ。
- 各行列の固有状態を ∣ψjX⟩,∣ψjY⟩,∣ψjZ⟩(j=1,2)とする。xj=⟨ψjX∣A∣ψjX⟩、yj=⟨ψjY∣A∣ψjY⟩、zj=⟨ψjZ∣A∣ψjZ⟩ を求めよ。
- A を x1,y1,z1,z2 で表せ。
- 正規化状態 ∣ψ⟩ での分散を σ(A)2=⟨ψ∣A2∣ψ⟩−⟨ψ∣A∣ψ⟩2 と定義する。∣ψ1Y⟩ での分散 τ を求めよ。
- τ=0 と A=aI+cY が同値であることを示せ。
- 分散 τ が零であることの物理的意味を述べよ。
题目描述
设三个 Pauli 矩阵为 X,Y,Z,并考虑二阶 Hermitian 矩阵
A=(ab+icb−icd),a,b,c,d∈R.
- 证明 A 是 Hermitian 矩阵,因而可表示量子力学可观测量。
- 求 X,Y,Z 各自的特征值及对应的归一化特征态。
- 将 X,Y,Z 的特征态分别记为
∣ψjX⟩,∣ψjY⟩,∣ψjZ⟩(j=1,2),并令
xj=⟨ψjX∣A∣ψjX⟩,yj=⟨ψjY∣A∣ψjY⟩,zj=⟨ψjZ∣A∣ψjZ⟩.
用 a,b,c,d 表示这些期望值。
- 反过来,用测得的 x1,y1,z1,z2 表示矩阵 A。
- 对状态 ∣ψ1Y⟩,求可观测量 A 的方差
τ=⟨A2⟩−⟨A⟩2.
- 求 τ=0 的充要条件,并用单位矩阵 I 与 Y 表示此时的 A。
- 说明方差 τ=0 的物理含义。
Kai
(1)
A†=A である。有限次元量子系ではエルミート行列が観測量を表すので、求める性質が従う。
(2)
X の固有値は 1,−1 であり、それぞれに属する固有状態は、
∣X=1⟩=21(11), ∣X=−1⟩=21(1−1)
である。
Y の固有値は 1,−1 であり、それぞれに属する固有状態は、
∣Y=1⟩=21(1i), ∣Y=−1⟩=21(1−i)
である。
Z の固有値は 1,−1 であり、それぞれに属する固有状態は、
∣Z=1⟩=(10), ∣Z=−1⟩=(01)
である。
(3)
次のようにおく:
∣ψ1X⟩=∣X=1⟩∣ψ1Y⟩=∣Y=1⟩∣ψ1Z⟩=∣Z=1⟩, ∣ψ2X⟩=∣X=−1⟩,, ∣ψ2Y⟩=∣Y=−1⟩,, ∣ψ2Z⟩=∣Z=−1⟩
このとき、
x1x2y1y2z1z2=21(a+2b+d)=21(a−2b+d)=21(a+2c+d)=21(a−2c+d)=a=d
である。
(4)
(3) より、
adbc=z1=z2=x1−21z1−21z2=y1−21z1−21z2
であるから、
A=(z1x1+iy1−21(1+i)(z1+z2)x1−iy1−21(1−i)(z1+z2)z2)
と書ける。
(5)
⟨ψ1Y∣A∣ψ1Y⟩⟨ψ1Y∣A2∣ψ1Y⟩=21(a+2c+d)=21(a2+d2)+(a+d)c+b2+c2
であるから、
τ=21(a2+d2)+(a+d)c+b2+c2−(21(a+2c+d))2=41(a−d)2+b2
を得る。
(6)
(5) より、
τ=0⇔a=d,b=0⇔A=(aic−ica)=aI+cY
がわかる。
(7)
τ=0 ならば、状態 ∣ψ1Y⟩ は A=aI+cY の固有状態でもある。固有値 +1 の Y の状態を選んでいるので、A の測定値は確率 1 で a+c となり、測定結果のばらつきがない。一般に
⟨A2⟩−⟨A⟩2=∥(A−⟨A⟩I)∣ψ⟩∥2
であるから、零分散はその状態で観測量の値が確定していることを意味する。