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名古屋大学 情報学研究科 数理情報学専攻 2021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

t0t\ge0 に対して

X=(0110),U(t)=(costsintsintcost)X=\begin{pmatrix}0&1\\1&0\end{pmatrix},\qquad U(t)=\begin{pmatrix}\cos t&-\sin t\\\sin t&\cos t\end{pmatrix}

とする。

  1. XX が観測量を表すことを示せ。
  2. 閉じた量子系の時刻 00 の状態が ψ0=(1,0)T|\psi_0\rangle=(1,0)^T であり、U(τ)U(\tau) は時刻 00 から τ0\tau\ge0 への時間発展を表す。ψτ|\psi_\tau\rangle の成分を求めよ。
  3. Xτ=ψτXψτ\langle X\rangle_\tau=\langle\psi_\tau|X|\psi_\tau\rangle を求めよ。
  4. 分散 στ2(X)=X2τXτ2\sigma_\tau^2(X)=\langle X^2\rangle_\tau-\langle X\rangle_\tau^2 を求めよ。
  5. この分散が最小値をとる最初の時刻 τ0\tau^*\ge0 を求めよ。

题目描述

考虑初态、演化矩阵和 Pauli XX

ψ0=(10),U(τ)=(cosτsinτsinτcosτ),X=(0110).|\psi_0\rangle=\begin{pmatrix}1\\0\end{pmatrix},\qquad U(\tau)=\begin{pmatrix}\cos\tau&-\sin\tau\\\sin\tau&\cos\tau\end{pmatrix},\qquad X=\begin{pmatrix}0&1\\1&0\end{pmatrix}.
  1. 证明 XX 可表示量子力学可观测量。
  2. 求演化后的状态 ψτ=U(τ)ψ0|\psi_\tau\rangle=U(\tau)|\psi_0\rangle
  3. XX 在状态 ψτ|\psi_\tau\rangle 下的期望值 Xτ\langle X\rangle_\tau
  4. XX 的方差 στ2(X)=X2τXτ2.\sigma_\tau^2(X)=\langle X^2\rangle_\tau-\langle X\rangle_\tau^2.
  5. 求使方差最小的最早非负时刻 τ\tau^*

Kai

(1)

X=XX^\dagger=X 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)

ψτ=U(τ)ψ0=(cosτsinτsinτcosτ)(10)=(cosτsinτ) \begin{aligned} \left| \psi_\tau \right\rangle &= U(\tau) \left| \psi_0 \right\rangle \\ &= \begin{pmatrix} \cos \tau & - \sin \tau \\ \sin \tau & \cos \tau \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 1 \\ 0 \end{pmatrix} \\ &= \begin{pmatrix} \cos \tau \\ \sin \tau \end{pmatrix} \end{aligned}

(3)

Xτ=ψτXψτ=(cosτsinτ)(0110)(cosτsinτ)=2sinτcosτ=sin2τ \begin{aligned} \left\langle X \right\rangle_\tau &= \left\langle \psi_\tau \right| X \left| \psi_\tau \right\rangle \\ &= \begin{pmatrix} \cos \tau & \sin \tau \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} \cos \tau \\ \sin \tau \end{pmatrix} \\ &= 2 \sin \tau \cos \tau \\ &= \sin 2 \tau \end{aligned}

(4)

X2X^2 は単位行列であるから、

X2τ=ψτψτ=1  στ2(X)=X2τXτ2=1sin22τ \begin{aligned} \left\langle X^2 \right\rangle_\tau &= \left\langle \psi_\tau | \psi_\tau \right\rangle \\ &= 1 \\ \therefore \ \ \sigma^2_\tau (X) &= \left\langle X^2 \right\rangle_\tau - \left\langle X \right\rangle_\tau^2 \\ &= 1 - \sin^2 2 \tau \end{aligned}

(5)

分散は cos2(2τ)0\cos^2(2\tau)\ge0 であり、τ=π/4+kπ/2\tau=\pi/4+k\pi/2k=0,1,2,k=0,1,2,\ldots)で零となる。従って最初の時刻は

τ=π4 \begin{aligned} \tau^* = \frac{\pi}{4} \end{aligned}