У чому різниця між суперпозиціями та змішаними станами?


14

Моє розуміння поки що: чистий стан - це базовий стан системи, а змішаний стан являє собою невизначеність щодо системи, тобто система знаходиться в одному з наборів станів з деякою (класичною) ймовірністю. Однак суперпозиції здаються і своєрідною сумішшю станів, тож як вони вписуються в цю картину?

Наприклад, розгляньте справжній фліп монети. Ви можете представити його як змішаний стан "голів" |0 і «хвости» |1 :

ρ1=j12|ψjψj|=12(1001)

Однак ми також можемо використовувати суперпозицію «голови» та «хвости»: специфічний стан ψ=12(|0+|1)з щільністю

ρ2=|ψψ|=12(1111)

Якщо виміряти в обчислювальній основі, отримаємо той самий результат. Яка різниця між накладеним та змішаним станом?



Відповіді:


10

Ні , суперпозиція двох різних станів - це зовсім інший звір, ніж суміш одних і тих же станів. Хоча з вашого прикладу може виявитися, що і ρ 2 дають однакові результати вимірювань (і це дійсно так), як тільки ви вимірюєте на іншій основі, вони дають помірно різні результати .ρ1ρ2

"Суперпозиція" на зразок -чистий стан. Це означає, що це повністю характеризується стан. Іншими словами, немає тієї кількості інформації, яка, додавши до його опису, могла б зробити її "менш невизначеною". Зауважте, щокожен чистий станможе бути записаний як суперпозиція інших чистих станів. Написання заданого стану | г | як суперпозиція інших станів буквальна то ж самаяк написання вектора V в термінах деякого базису: ви завжди можете змінити базис і знайти інше уявлення V .|ψ=12(|+|)|ψvv

Це прямо суперечить змішаному стану на зразок у вашому запитанні. У випадку ρ 1 імовірнісний характер результатів залежить від нашого незнання про саму державу . Це означає, що, в принципі, можна отримати якусь додаткову інформацію, яка б нам сказала, чи дійсно ρ 2 справді |ρ1ρ1ρ2 або в штаті || .|

Змішаний стан взагалі не може бути записаний як чистий стан. Це повинно бути зрозуміло з вищенаведеної фізичної інтуїції: змішані стани представляють наше незнання про фізичний стан, тоді як чисті стани - це повністю визначені стани, які так і досі дають імовірнісні результати завдяки тому, як працює квантова механіка.

Дійсно, існує простий критерій, який дозволяє визначити, чи можна заданий (загалом змішаний) стан записати як | г | г | | для деякого (чистого) стану | г | : обчислення його чистоти . Чистота стану ρ визначається як Trρ|ψψ||ψρ , і це стандартний результат, що чистота стану дорівнює 1, якщо і лише тоді,коли стан чистий (і менше 1 в іншому випадку).Tr(ρ2)1 1


9

Коротка відповідь полягає в тому, що квантовій інформації є більше, ніж "невизначеність". Це тому, що існує більше ніж один спосіб вимірювання стану; і що , тому що є більш ніж один базис , в якому, в принципі, ви можете зберігати та видавати інформацію. Суперпозиції дозволяють висловити інформацію на іншій основі, ніж обчислювальна основа, але суміші описують наявність ймовірнісного елемента, незалежно від того, яку основу ви використовуєте для перегляду стану.

Більш довга відповідь така -

Вимірювання, як ви описали, - це конкретно вимірювання в обчислювальній основі. Це часто описується просто як "вимірювання" заради стислості, і великі підмножини громади думають, що це основний спосіб вимірювання речей. Але у багатьох фізичних системах можна вибрати основу вимірювання .

Векторний простір над має більше однієї основи (навіть більше, ніж одна ортонормальна основа), і на математичному рівні не так багато, що робить одну основу більш особливою, ніж іншу, окрім того, що математику зручно думати. Те саме стосується квантової механіки: якщо не вказати якусь конкретну динаміку, немає основи, яка була б більш спеціальною, ніж інші. Це означає, що обчислювальна основа | 0 = [ 1 0 ] ,C не є принциповим відрізняються фізично від іншої основитакі як | + = 1

|0=[10],|1=[01]
що також є ортонормальною основою. Це означає, що повинен бути спосіб "виміряти" стан| г |C2таким чиномщо вірогідність результатів залежать від проекцій на цих станів| +І| -.
|+=12[11],|=12[11],
|ψC2|+|

У деяких фізичних системах спосіб здійснення цього вимірювання полягає в тому, щоб буквально взяти один і той же апарат і нахилити його так, щоб він був вирівняний з віссю X замість осі Z. Математично так ми розглядаємо проектори а потім запитати, які прогнози| φ+:=Π+| г |і| φ-:=Π-| г |. Норма-квадрат| фplusmnвизначає ймовірність «вимірювання|+» і «вимірювання|-»; та нормалізуючи| φ+

Π+=|++|=12[1111],Π=||=12[1111]
|φ+:=Π+|ψ|φ:=Π|ψ|φ±|+||φ+або мати норму 1 отримує державний пост-вимірювання. (Для держави на один кубіт, це буде тільки | + або | - Більш цікаві пост-вимірювання стану може виникнути , якщо ми розглянемо кілька кубітів станів, і розгляне проектор. Π + або П - чинне на одному з багато кубітів.)|φ|+|Π+Π

Для операторів щільності слід взяти стан якому потрібно здійснити вимірювання, і врахувати ρ + : = Π + ρ Π + і ρ - : = Π - ρ Π - . Ці оператори можуть бути субнормалізовані так само, як і держави | φ ± може бути, в тому сенсі, що вони можуть мати слід менше 1. Значення сліду ρ ± - це ймовірність отримання результату | + Або | - ρρ+:=Π+ρΠ+ρ:=ΠρΠ|φ±ρ±|+|вимірювання; щоб змінити нормування, просто масштабуйте прогнозований оператор, щоб він був слід 1.

ρ2|±ρ2=ρ2,+:=Π+ρ2Π+Π+|+ρ1|+|ρ1ρ2ρ2ρ2

Загалом, змішаний стан - це стан, найбільше власне значення якого становить менше 1, це означає, що немає основи, за якою можна виміряти його, щоб отримати певний результат. Супозиції дозволяють висловлювати інформацію на іншій основі, ніж обчислювальна основа; суміші являють собою ступінь випадковості щодо стану системи, яку ви розглядаєте, незалежно від того, як ви вимірюєте цю систему.


2

Поряд із повідомленням glS:

Змішаний стан був би, якби у вас була фарба, але ви не були впевнені, синя вона або жовта. Ви знаєте, що це або одне з двох, і як тільки ви сплинете верх і виміряєте його, ви б знали, але поки ви не зробите це в одному з цих двох чистих станів. Якби ви взяли його зі стопки банок, де ви знали, що однаково багато банок синьої фарби, як жовтого, ви очікували б рівного шансу, що це буде та чи інша. 50% часу це було б 100% жовтим, а 50% часу - 100% синім.

Суперпозиція більше схожа на те, якщо ви візьмете половину банки синього і половину банки жовтого і висипте їх разом. Тепер ви побудували новий чистий стан, який можна виразити як поєднання інших чистих станів. Якщо ви протестуєте його «блакитність», це приблизно 50%. Якщо ви перевірите його «жовтизну», це приблизно 50%. Це одночасно і жовтий, і синій. У 100% часу це і 50% синій, і 50% жовтий.

Якщо ви виміряли кількість синього та жовтого в одній купі синіх чи жовтих банок, а потім в іншій групі зеленого, ви можете бути збентежені, побачивши, що у вас є стільки ж синього та жовтого в обох стеках, але різниця полягає в тому, що " синюшність "і" жовтизна "знаходяться в змішаному стані в більш пізньому стеку, але в суперпозиції в останній.

Використовуючи наш веб-сайт, ви визнаєте, що прочитали та зрозуміли наші Політику щодо файлів cookie та Політику конфіденційності.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.