跳到主要内容

名古屋大学 情報学研究科 数理情報学専攻 2019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。

実ベクトル v=(x,y,z)\boldsymbol v=(x,y,z) は x2+y2+z2=1x^2+y^2+z^2=1 を満たす。σ=(X,Y,Z)\boldsymbol\sigma=(X,Y,Z) とし、次の行列を用いる。

I=(1001),X=(0110),Y=(0−ii0),Z=(100−1),i2=−1.I=\begin{pmatrix}1&0\\0&1\end{pmatrix},\quad X=\begin{pmatrix}0&1\\1&0\end{pmatrix},\quad Y=\begin{pmatrix}0&-i\\i&0\end{pmatrix},\quad Z=\begin{pmatrix}1&0\\0&-1\end{pmatrix},\qquad i^2=-1.
  1. v⋅σ=xX+yY+zZ\boldsymbol v\cdot\boldsymbol\sigma=xX+yY+zZ が観測量であることを示せ。
  2. 任意の非負整数 nn について、(v⋅σ)2n=I(\boldsymbol v\cdot\boldsymbol\sigma)^{2n}=I、(v⋅σ)2n+1=v⋅σ(\boldsymbol v\cdot\boldsymbol\sigma)^{2n+1}=\boldsymbol v\cdot\boldsymbol\sigma を示せ。
  3. 実数 tt に対し、eitv⋅σ=cos⁡t I+isin⁡t v⋅σe^{it\boldsymbol v\cdot\boldsymbol\sigma}=\cos t\,I+i\sin t\,\boldsymbol v\cdot\boldsymbol\sigma を導け。
  4. Ut=eitv⋅σU_t=e^{it\boldsymbol v\cdot\boldsymbol\sigma} がユニタリーであることを示せ。
  5. ZZ の固有値 +1+1 に対応する正規化状態を ∣ψ⟩|\psi\rangle とする。∣ψt⟩=Ut∣ψ⟩|\psi_t\rangle=U_t|\psi\rangle における分散 σ(Z,t)2=⟨ψt∣Z2∣ψt⟩−⟨ψt∣Z∣ψt⟩2\sigma(Z,t)^2=\langle\psi_t|Z^2|\psi_t\rangle-\langle\psi_t|Z|\psi_t\rangle^2 を z,tz,t の式で求めよ。

题目描述​

令

v⃗=(x,y,z),x2+y2+z2=1,\vec v=(x,y,z),\qquad x^2+y^2+z^2=1,

并以 Pauli 矩阵向量 σ⃗=(X,Y,Z)\vec\sigma=(X,Y,Z) 定义

v⃗⋅σ⃗=(zx−iyx+iy−z),Ut=eitv⃗⋅σ⃗.\vec v\cdot\vec\sigma= \begin{pmatrix}z&x-iy\\x+iy&-z\end{pmatrix}, \qquad U_t=e^{it\vec v\cdot\vec\sigma}.
  1. 证明 v⃗⋅σ⃗\vec v\cdot\vec\sigma 是 Hermitian 矩阵,可表示可观测量。
  2. 证明 (v⃗⋅σ⃗)2=I(\vec v\cdot\vec\sigma)^2=I,并求其任意偶数次幂与奇数次幂。
  3. 展开矩阵指数,证明 Ut=(cos⁡t)I+(isin⁡t)v⃗⋅σ⃗.U_t=(\cos t)I+(i\sin t)\vec v\cdot\vec\sigma.
  4. 对任意实数 tt,证明 UtU_t 是酉矩阵。
  5. 初态为 ∣ψ⟩=(10),|\psi\rangle=\begin{pmatrix}1\\0\end{pmatrix}, 演化后 ∣ψt⟩=Ut∣ψ⟩|\psi_t\rangle=U_t|\psi\rangle。求 ∣ψt⟩|\psi_t\rangle,并求可观测量 ZZ 在该态下的期望及方差 σ(Z,t)2\sigma(Z,t)^2。

Kai​

(1)​

x,y,zx,y,z が実数で、X,Y,ZX,Y,Z はエルミート行列なので、(xX+yY+zZ)†=xX+yY+zZ(xX+yY+zZ)^\dagger=xX+yY+zZ が成り立つ。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)​

(v⃗⋅σ⃗)2=(zx−iyx+iy−z)2=(x2+y2+z200x2+y2+z2)=I \begin{aligned} \left( \vec{v} \cdot \vec{\sigma} \right)^2 &= \begin{pmatrix} z & x-iy \\ x+iy & -z \end{pmatrix}^2 \\ &= \begin{pmatrix} x^2+y^2+z^2 & 0 \\ 0 & x^2+y^2+z^2 \end{pmatrix} \\ &= I \end{aligned}

であるから、すべての n∈Nn \in \mathbb{N} に対して、

(v⃗⋅σ⃗)2n=I,    (v⃗⋅σ⃗)2n+1=v⃗⋅σ⃗ \begin{aligned} \left( \vec{v} \cdot \vec{\sigma} \right)^{2n} = I , \ \ \ \ \left( \vec{v} \cdot \vec{\sigma} \right)^{2n+1} = \vec{v} \cdot \vec{\sigma} \end{aligned}

が成り立つ。

(3)​

eitv⃗⋅σ⃗=∑k=0∞1k!(itv⃗⋅σ⃗)k=(1−12!t2+14!t4−⋯ )I+i(t−13!t3+15!t5−⋯ )v⃗⋅σ⃗=(cos⁡t)I+(isin⁡t)v⃗⋅σ⃗\begin{aligned} e^{i t \vec{v} \cdot \vec{\sigma}} &= \sum_{k=0}^\infty \frac{1}{k!} \left( it \vec{v} \cdot \vec{\sigma} \right)^k \\ &= \left( 1 - \frac{1}{2!} t^2 + \frac{1}{4!} t^4 - \cdots \right) I + i \left( t - \frac{1}{3!} t^3 + \frac{1}{5!} t^5 - \cdots \right) \vec{v} \cdot \vec{\sigma} \\ &= (\cos t) I + (i \sin t) \vec{v} \cdot \vec{\sigma} \end{aligned}

(4)​

(v⃗⋅σ⃗)†=v⃗⋅σ⃗(\vec{v} \cdot \vec{\sigma})^\dagger = \vec{v} \cdot \vec{\sigma} であるから、 すべての t∈Rt \in \mathbb{R} に対して、

Ut†=(cos⁡t)I−(isin⁡t)v⃗⋅σ⃗ \begin{aligned} U_t^\dagger &= (\cos t) I - (i \sin t) \vec{v} \cdot \vec{\sigma} \end{aligned}

であり、

UtUt†={(cos⁡t)I+(isin⁡t)v⃗⋅σ⃗}{(cos⁡t)I−(isin⁡t)v⃗⋅σ⃗}=I \begin{aligned} U_t U_t^\dagger &= \left\{ (\cos t) I + (i \sin t) \vec{v} \cdot \vec{\sigma} \right\} \left\{ (\cos t) I - (i \sin t) \vec{v} \cdot \vec{\sigma} \right\} \\ &= I \end{aligned}

であるから、 UtU_t はユニタリー行列である。

(5)​

∣ψ⟩=(10)∣ψt⟩=Ut∣ψ⟩={(cos⁡t)I+(isin⁡t)v⃗⋅σ⃗}∣ψ⟩=cos⁡t(10)+isin⁡t(zx+iy)=(cos⁡t+izsin⁡t(ix−y)sin⁡t)\begin{aligned} \left| \psi \right\rangle &= \begin{pmatrix} 1 \\ 0 \end{pmatrix} \\ \left| \psi_t \right\rangle &= U_t \left| \psi \right\rangle \\ &= \left\{ (\cos t) I + (i \sin t) \vec{v} \cdot \vec{\sigma} \right\} \left| \psi \right\rangle \\ &= \cos t \begin{pmatrix} 1 \\ 0 \end{pmatrix} + i \sin t \begin{pmatrix} z \\ x+iy \end{pmatrix} \\ &= \begin{pmatrix} \cos t + iz \sin t \\ (ix-y) \sin t \end{pmatrix} \end{aligned}

であるから、

⟨ψt∣Z∣ψt⟩=⟨ψt∣(100−1)(cos⁡t+izsin⁡t(ix−y)sin⁡t)=(cos⁡t−izsin⁡t(−ix−y)sin⁡t)(cos⁡t+izsin⁡t(−ix+y)sin⁡t)=cos⁡2t+z2sin⁡2t−(x2+y2)sin⁡2t=cos⁡2t+(2z2−1)sin⁡2t\begin{aligned} \left\langle \psi_t \right| Z \left| \psi_t \right\rangle &= \left\langle \psi_t \right| \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & -1 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} \cos t + iz \sin t \\ (ix-y) \sin t \end{pmatrix} \\ &= \begin{pmatrix} \cos t - iz \sin t & (-ix-y) \sin t \end{pmatrix} \begin{pmatrix} \cos t + iz \sin t \\ (-ix+y) \sin t \end{pmatrix} \\ &= \cos^2 t + z^2 \sin^2 t - (x^2 + y^2) \sin^2 t \\ &= \cos^2 t + (2z^2-1) \sin^2 t \end{aligned}

である。 また、 Z2=IZ^2=I であるから、

⟨ψt∣Z2∣ψt⟩=⟨ψ∣Ut†Ut∣ψ⟩=⟨ψ∣ψ⟩=1\begin{aligned} \left\langle \psi_t \right| Z^2 \left| \psi_t \right\rangle &= \left\langle \psi \right| U_t^\dagger U_t \left| \psi \right\rangle \\ &= \langle \psi | \psi \rangle \\ &= 1 \end{aligned}

である。 よって、

σ(Z,t)2=1−{cos⁡2t+(2z2−1)sin⁡2t}2\begin{aligned} \sigma(Z,t)^2 &= 1 - \left\{ \cos^2 t + (2z^2-1) \sin^2 t \right\}^2 \end{aligned}

を得る。