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。
t≥0 に対して
X=(0110),U(t)=(costsint−sintcost)
とする。
- X が観測量を表すことを示せ。
- 閉じた量子系の時刻 0 の状態が ∣ψ0⟩=(1,0)T であり、U(τ) は時刻 0 から τ≥0 への時間発展を表す。∣ψτ⟩ の成分を求めよ。
- ⟨X⟩τ=⟨ψτ∣X∣ψτ⟩ を求めよ。
- 分散 στ2(X)=⟨X2⟩τ−⟨X⟩τ2 を求めよ。
- この分散が最小値をとる最初の時刻 τ∗≥0 を求めよ。
题目描述
考虑初态、演化矩阵和 Pauli X:
∣ψ0⟩=(10),U(τ)=(cosτsinτ−sinτcosτ),X=(0110).
- 证明 X 可表示量子力学可观测量。
- 求演化后的状态 ∣ψτ⟩=U(τ)∣ψ0⟩。
- 求 X 在状态 ∣ψτ⟩ 下的期望值 ⟨X⟩τ。
- 求 X 的方差
στ2(X)=⟨X2⟩τ−⟨X⟩τ2.
- 求使方差最小的最早非负时刻 τ∗。
Kai
(1)
X†=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⟩=(cosτsinτ−sinτcosτ)(10)=(cosτsinτ)
(3)
⟨X⟩τ=⟨ψτ∣X∣ψτ⟩=(cosτsinτ)(0110)(cosτsinτ)=2sinτcosτ=sin2τ
(4)
X2 は単位行列であるから、
⟨X2⟩τ∴ στ2(X)=⟨ψτ∣ψτ⟩=1=⟨X2⟩τ−⟨X⟩τ2=1−sin22τ
(5)
分散は cos2(2τ)≥0 であり、τ=π/4+kπ/2(k=0,1,2,…)で零となる。従って最初の時刻は
τ∗=4π