Twierdzenia o prędkości ewolucji stanu kwantowego

Twierdzenia o prędkości ewolucji stanu kwantowego – twierdzenia związane z fundamentalnymi ograniczeniami ewolucji kwantowej. W mechanice kwantowej określają minimalny czas konieczny, aby układ kwantowy mógł w drodze unitarnej ewolucji przejść pomiędzy dwoma ortogonalnymi stanami kwantowymi, znane również jako kwantowe ograniczenia prędkości.

Rozważmy wstępny, czysty stan kwantowy wyrażony jako superpozycja energetycznych stanów własnych

| ψ ( 0 ) = n c n | E n . {\displaystyle \left|\psi (0)\right\rangle =\sum _{n}c_{n}\left|E_{n}\right\rangle .}

Jeżeli stan | ψ ( 0 ) {\displaystyle \left|\psi (0)\right\rangle } będzie ewoluował przez okres δ t {\displaystyle \delta t} zgodnie z równaniem Schrödingera stanie się stanem

| ψ ( δ t ) = n c n e i E n δ t | E n , {\displaystyle \left|\psi (\delta t)\right\rangle =\sum _{n}c_{n}e^{-i{\frac {E_{n}\delta t}{\hbar }}}\left|E_{n}\right\rangle ,}

gdzie = h 2 π {\displaystyle \hbar ={\frac {h}{2\pi }}} jest zredukowaną stałą Plancka a i {\displaystyle i} jest jednostką urojoną.

Jeżeli wstępny stan kwantowy | ψ ( 0 ) {\displaystyle \left|\psi (0)\right\rangle } jest ortogonalny do stanu po ewolucji | ψ ( δ t ) , {\displaystyle \left|\psi (\delta t)\right\rangle ,} wówczas ψ ( 0 ) | ψ ( δ t ) = 0 {\displaystyle \left\langle \psi (0)|\psi (\delta t)\right\rangle =0} a minimalny okres δ t {\displaystyle \delta t_{\perp }} konieczny do zapewnienia tego warunku jest nazywany interwałem[1] bądź czasem[2] ortogonalizacji.

Twierdzenie Mandelstama-Tamma

Zgodnie z twierdzeniem Mandelstama-Tamma[1]

δ E δ t π 2 {\displaystyle \delta E\delta t_{\perp }\geqslant \hbar {\frac {\pi }{2}}} ,

gdzie

( δ E ) 2 = ψ | H 2 | ψ ( ψ | H | ψ ) 2 = 1 2 n , m | c n | 2 | c m | 2 ( E n E m ) 2 {\displaystyle (\delta E)^{2}=\left\langle \psi |H^{2}|\psi \right\rangle -(\left\langle \psi |H|\psi \right\rangle )^{2}={\frac {1}{2}}\sum _{n,m}|c_{n}|^{2}|c_{m}|^{2}(E_{n}-E_{m})^{2}}

jest wariancją energii układu a H {\displaystyle H} jest operatorem Hamiltona. Twierdzenie to zostało udowodnione przez Leonida Mandelstama i Igora Tamma.

Dowód
Szukamy najkrótszego interwału δ t {\displaystyle \delta t_{\perp }} takiego, aby
| S ( δ t ) | 2 = | ψ ( 0 ) | ψ ( δ t ) | 2 = 0 {\displaystyle |S(\delta t_{\perp })|^{2}=|\left\langle \psi (0)|\psi (\delta t_{\perp })\right\rangle |^{2}=0} .

Korzystając z wzoru Eulera i faktu, że sinus jest funkcją nieparzystą mamy

| S ( δ t ) | 2 = | ψ ( 0 ) | ψ ( δ t ) | 2 = n , m | c n | 2 | c m | 2 e i δ t ( E n E m ) = = n , m | c n | 2 | c m | 2 cos ( δ t ( E n E m ) ) {\displaystyle {\begin{aligned}|S(\delta t)|^{2}&=|\left\langle \psi (0)|\psi (\delta t)\right\rangle |^{2}=\sum _{n,m}|c_{n}|^{2}|c_{m}|^{2}e^{-i{\frac {\delta t}{\hbar }}\left(E_{n}-E_{m}\right)}=\\&=\sum _{n,m}|c_{n}|^{2}|c_{m}|^{2}\cos \left({\frac {\delta t}{\hbar }}\left(E_{n}-E_{m}\right)\right)\end{aligned}}} .

Zauważamy[2], że

| S ( δ t ) | 2 1 4 π 2 n , m | c n | 2 | c m | 2 δ t ( E n E m ) sin ( δ t ( E n E m ) ) 2 π 2 n , m | c n | 2 | c m | 2 ( δ t ( E n E m ) ) 2 {\displaystyle {\begin{aligned}|S(\delta t)|^{2}&\geqslant 1-{\frac {4}{\pi ^{2}}}\sum _{n,m}|c_{n}|^{2}|c_{m}|^{2}{\frac {\delta t}{\hbar }}\left(E_{n}-E_{m}\right)\sin \left({\frac {\delta t}{\hbar }}\left(E_{n}-E_{m}\right)\right)\\&-{\frac {2}{\pi ^{2}}}\sum _{n,m}|c_{n}|^{2}|c_{m}|^{2}\left({\frac {\delta t}{\hbar }}\left(E_{n}-E_{m}\right)\right)^{2}\end{aligned}}} ,

ponieważ cos ( x ) 1 4 π 2 x sin ( x ) 2 π 2 x 2 , {\displaystyle \cos(x)\geqslant 1-{\frac {4}{\pi ^{2}}}x\sin(x)-{\frac {2}{\pi ^{2}}}x^{2},} x R {\displaystyle \forall x\in \mathbb {R} } . Zauważamy, że

d | S ( δ t ) | 2 d δ t = n , m | c n | 2 | c m | 2 sin ( δ t ( E n E m ) ) E n E m {\displaystyle {\frac {d|S(\delta t)|^{2}}{d\delta t}}=-\sum _{n,m}|c_{n}|^{2}|c_{m}|^{2}\sin \left({\frac {\delta t}{\hbar }}\left(E_{n}-E_{m}\right)\right){\frac {E_{n}-E_{m}}{\hbar }}} .

Tym samym

| S ( δ t ) | 2 1 + 4 π 2 δ t d | S ( δ t ) | 2 d δ t 1 π 2 ( 2 δ t δ E ) 2 {\displaystyle |S(\delta t)|^{2}\geqslant 1+{\frac {4}{\pi ^{2}}}\delta t{\frac {d|S(\delta t)|^{2}}{d\delta t}}-{\frac {1}{\pi ^{2}}}\left({\frac {2\delta t}{\hbar }}\delta E\right)^{2}} .

Ponieważ | S ( δ t ) | 2 0 {\displaystyle |S(\delta t)|^{2}\geqslant 0} więc d | S ( δ t ) | 2 d δ t = 0 {\displaystyle {\frac {d|S(\delta t)|^{2}}{d\delta t}}=0} jeżeli S ( δ t ) = 0. {\displaystyle S(\delta t)=0.} zatem drugi wyraz zanika dla δ t = δ t {\displaystyle \delta t=\delta t_{\perp }} oraz

0 1 1 π 2 4 δ t 2 2 ( δ E ) 2 {\displaystyle 0\geqslant 1-{\frac {1}{\pi ^{2}}}{\frac {4\delta t_{\perp }^{2}}{\hbar ^{2}}}\left(\delta E\right)^{2}} .

Jedynym stanem, dla którego powyższa nierówność jest równaniem jest kubit

| ψ q = 1 2 ( | 0 + | E 1 ) {\displaystyle \left|\psi _{q}\right\rangle ={\frac {1}{\sqrt {2}}}\left(\left|0\right\rangle +\left|E_{1}\right\rangle \right)}

o zrównoważonej superpozycji energetycznych stanów własnych | E 0 = | 0 {\displaystyle \left|E_{0}\right\rangle =\left|0\right\rangle } oraz | E 1 {\displaystyle \left|E_{1}\right\rangle } .

Dowód
Wymagamy, aby cos ( x ) = 1 4 π 2 x sin ( x ) 2 π 2 x 2 {\displaystyle \cos(x)=1-{\frac {4}{\pi ^{2}}}x\sin(x)-{\frac {2}{\pi ^{2}}}x^{2}} , czyli x = 0 {\displaystyle x=0} lub x = ± π {\displaystyle x=\pm \pi } . Tym samym
δ t ( E n E m ) = 0 lub δ t ( E n E m ) = ± π n , m , c n 0 , c m 0 {\displaystyle {\frac {\delta t_{\perp }}{\hbar }}\left(E_{n}-E_{m}\right)=0\quad {\text{lub}}\quad {\frac {\delta t_{\perp }}{\hbar }}\left(E_{n}-E_{m}\right)=\pm \pi \quad \forall n,m,c_{n}\neq 0,c_{m}\neq 0} ,

co zachodzi jedynie dla dwóch energetycznych stanów własnych E 0 = 0 {\displaystyle E_{0}=0} oraz E 1 = ± π δ t {\displaystyle E_{1}=\pm {\frac {\pi \hbar }{\delta t_{\perp }}}} , czyli dla stanu

| ψ q = 1 2 ( e i φ 0 | 0 + e i φ 1 | ± π δ t ) {\displaystyle \left|\psi _{q}\right\rangle ={\frac {1}{\sqrt {2}}}\left(e^{i\varphi _{0}}\left|0\right\rangle +e^{i\varphi _{1}}\left|\pm {\frac {\pi \hbar }{\delta t_{\perp }}}\right\rangle \right)}

unikalnego z wyłączeniem degeneracji energii E 1 {\displaystyle E_{1}} oraz dowolnych współczynników fazowych φ 0 {\displaystyle \varphi _{0}} i φ 1 {\displaystyle \varphi _{1}} stanów własnych[2].

Twierdzenie Margolusa–Levitina

Zgodnie z twierdzeniem Margolusa–Levitina[3]

E a v g δ t π 2 {\displaystyle E_{avg}\delta t_{\perp }\geqslant \hbar {\frac {\pi }{2}}} ,

gdzie

E a v g = ψ | H | ψ = n | c n | 2 E n {\displaystyle E_{avg}=\left\langle \psi |H|\psi \right\rangle =\sum _{n}|c_{n}|^{2}E_{n}}

jest średnią energią układu a H {\displaystyle H} jest operatorem operatorem Hamiltona. Twierdzenie to zostało udowodnione przez Normana Margolusa i Lwa Levitina.

Wykresy zależności trygonometrycznych zastosowanych w nierównościach twierdzeń Mandelstama-Tamma i Margolusa–Levitina
Dowód
Szukamy najkrótszego interwału δ t {\displaystyle \delta t_{\perp }} takiego, że
S ( δ t ) = ψ ( 0 ) | ψ ( δ t ) = n | c n | 2 e i E n δ t = 0 {\displaystyle S(\delta t_{\perp })=\left\langle \psi (0)|\psi (\delta t_{\perp })\right\rangle =\sum _{n}|c_{n}|^{2}e^{-i{\frac {E_{n}\delta t_{\perp }}{\hbar }}}=0} .

Zauważamy[2], że

Re ( S ( δ t ) ) = n | c n | 2 cos ( E n δ t ) n | c n | 2 ( 1 2 π E n δ t 2 π sin ( E n δ t ) ) = = n | c n | 2 2 δ t π n | c n | 2 E n 2 π n | c n | 2 sin ( E n δ t ) = = 1 2 δ t π E a v g + 2 π Im ( S ( δ t ) ) {\displaystyle {\begin{aligned}{\text{Re}}(S(\delta t))&=\sum _{n}|c_{n}|^{2}\cos \left({\frac {E_{n}\delta t}{\hbar }}\right)\geqslant \\&\geqslant \sum _{n}|c_{n}|^{2}\left(1-{\frac {2}{\pi }}{\frac {E_{n}\delta t}{\hbar }}-{\frac {2}{\pi }}\sin \left({\frac {E_{n}\delta t}{\hbar }}\right)\right)=\\&=\sum _{n}|c_{n}|^{2}-{\frac {2\delta t}{\pi \hbar }}\sum _{n}|c_{n}|^{2}E_{n}-{\frac {2}{\pi }}\sum _{n}|c_{n}|^{2}\sin \left({\frac {E_{n}\delta t}{\hbar }}\right)=\\&=1-{\frac {2\delta t}{\pi \hbar }}E_{avg}+{\frac {2}{\pi }}{\text{Im}}(S(\delta t))\end{aligned}}} ,

gdyż cos ( x ) 1 2 π x 2 π sin ( x ) , x 0 {\displaystyle \cos(x)\geqslant 1-{\frac {2}{\pi }}x-{\frac {2}{\pi }}\sin(x),\forall x\geqslant 0} . Ponieważ S ( δ t ) = 0 {\displaystyle S(\delta t_{\perp })=0} wymaga Re ( S ( δ t ) ) = Im ( S ( δ t ) ) = 0 {\displaystyle {\text{Re}}(S(\delta t_{\perp }))={\text{Im}}(S(\delta t_{\perp }))=0} zatem

0 1 2 π E a v g δ t {\displaystyle 0\geqslant 1-{\frac {2}{\pi }}{\frac {E_{avg}\delta t_{\perp }}{\hbar }}} .

Jedynym stanem, dla którego powyższa nierówność jest równaniem jest kubit

| ψ q = 1 2 ( | 0 + | E 1 ) {\displaystyle \left|\psi _{q}\right\rangle ={\frac {1}{\sqrt {2}}}\left(\left|0\right\rangle +\left|E_{1}\right\rangle \right)}

o zrównoważonej superpozycji energetycznych stanów własnych | E 0 = | 0 {\displaystyle \left|E_{0}\right\rangle =\left|0\right\rangle } oraz | E 1 {\displaystyle \left|E_{1}\right\rangle } .

Dowód
Wymagamy, aby cos ( x ) = 1 2 π ( x + sin ( x ) ) {\displaystyle \cos(x)=1-{\frac {2}{\pi }}(x+\sin(x))} co zachodzi dla x = 0 {\displaystyle x=0} or x = π {\displaystyle x=\pi } , czyli jedynie dla dwóch energetycznych stanów własnych
E n δ t = 0 lub E n δ t = π n , c n 0 {\displaystyle {\frac {E_{n}\delta t_{\perp }}{\hbar }}=0\quad {\text{lub}}\quad {\frac {E_{n}\delta t_{\perp }}{\hbar }}=\pi \quad \forall n,c_{n}\neq 0} .

Zatem E 0 = 0 {\displaystyle E_{0}=0} oraz E 1 = π δ t {\displaystyle E_{1}={\frac {\pi \hbar }{\delta t_{\perp }}}} , a jedynym stanem, który to zapewnia jest kubit

| ψ q = 1 2 ( e i φ 0 | 0 + e i φ 1 | π δ t ) {\displaystyle \left|\psi _{q}\right\rangle ={\frac {1}{\sqrt {2}}}\left(e^{i\varphi _{0}}\left|0\right\rangle +e^{i\varphi _{1}}\left|{\frac {\pi \hbar }{\delta t_{\perp }}}\right\rangle \right)}

o zrównoważonej superpozycji energetycznych stanów własnych | E 0 {\displaystyle \left|E_{0}\right\rangle } i | E 1 {\displaystyle \left|E_{1}\right\rangle } unikalny z wyłączeniem degeneracji energii E 1 {\displaystyle E_{1}} oraz dowolnych współczynników fazowych φ 0 {\displaystyle \varphi _{0}} i φ 1 {\displaystyle \varphi _{1}} stanów własnych[2].

Inne Powiązane Twierdzenia

Twierdzenia powiązane z twierdzeniami Mandelstama-Tamma i Margolusa–Levitina zostały udowodnione[2] w 2009 przez Lwa Levitina i Tommaso Toffoliego.

Twierdzenie

W przypadku, gdy E a v g δ E {\displaystyle E_{avg}\neq \delta E} interwał ortogonalizacji spełnia

δ t π ( 1 + e ln | δ E E a v g | ) 2 E a v g ( 1 + δ E E a v g ) ( 1 + ϵ ) = π 2 E a v g ( 1 + ϵ ) , ϵ > 0 {\displaystyle \delta t_{\perp }\leqslant {\frac {\pi \hbar \left(1+e^{\ln {\left|{\frac {\delta E}{E_{avg}}}\right|}}\right)}{2E_{avg}\left(1+{\frac {\delta E}{E_{avg}}}\right)}}\left(1+\epsilon \right)={\frac {\pi \hbar }{2E_{avg}}}\left(1+\epsilon \right),\quad \forall \epsilon >0} .

Twierdzenie

Dla każdego stanu kwantowego | ψ {\displaystyle \left|\psi \right\rangle } zachodzi

E m a x 4 < E a v g E m a x 2 {\displaystyle {\frac {E_{max}}{4}}<E_{avg}\leqslant {\frac {E_{max}}{2}}} ,

gdzie E m a x {\displaystyle E_{max}} jest maksymalną wartością własną tego stanu oraz

π E m a x δ t < 2 π {\displaystyle \pi \hbar \leqslant E_{max}\delta t_{\perp }<2\pi \hbar } .
Dowód
Niech
S ( δ t ) = ψ ( 0 ) | ψ ( δ t ) = n | c n | 2 e i δ t E n = 0 {\displaystyle S(\delta t_{\perp })=\left\langle \psi (0)|\psi (\delta t_{\perp })\right\rangle =\sum _{n}|c_{n}|^{2}e^{-i{\frac {\delta t_{\perp }}{\hbar }}E_{n}}=0} .

Załóżmy a contrario, że E m a x > 2 π δ t {\displaystyle E_{max}>{\frac {2\pi \hbar }{\delta t_{\perp }}}} . Możemy zdefiniować E l E m a x 2 π δ t > 0 {\displaystyle E_{l}\doteq E_{max}-{\frac {2\pi \hbar }{\delta t_{\perp }}}>0} . Ale wówczas

e i δ t E l = e i δ t E m a x e 2 π i = e i δ t E m a x {\displaystyle e^{-i{\frac {\delta t_{\perp }}{\hbar }}E_{l}}=e^{-i{\frac {\delta t_{\perp }}{\hbar }}E_{max}}e^{2\pi i}=e^{-i{\frac {\delta t_{\perp }}{\hbar }}E_{max}}} .

Zatem zamiana E m a x {\displaystyle E_{max}} na E l > E m a x {\displaystyle E_{l}>E_{max}} nie zmienia S ( δ t ) {\displaystyle S(\delta t_{\perp })} , a tym samym zbiór wartości własnych energii jest ograniczony od góry[2]. Aby udowodnić istnienie kresu dolnego na E m a x {\displaystyle E_{max}} , niech średnią energią będzie E a v g ( 1 ) {\displaystyle E_{avg}^{(1)}} . Zauważamy, że zamiana poziomów energii E n {\displaystyle E_{n}} w S ( δ t ) {\displaystyle S(\delta t_{\perp })} na E m a x E n {\displaystyle E_{max}-E_{n}} nie ma wpływu na ich ważność. Ale po takiej zamianie, średnia energia to E a v g ( 2 ) = E m a x E a v g ( 1 ) {\displaystyle E_{avg}^{(2)}=E_{max}-E_{avg}^{(1)}} i możemy wybrać E a v g = min ( E a v g ( 1 ) , E a v g ( 2 ) ) {\displaystyle E_{avg}=\min \left(E_{avg}^{(1)},E_{avg}^{(2)}\right)} . Zatem E a v g E m a x 2 {\displaystyle E_{avg}\leqslant {\frac {E_{max}}{2}}} . Wykorzystanie kresu na E a v g {\displaystyle E_{avg}} z twierdzenia Margolusa–Levitina kończy dowód[2].

Ponadto

π = E m a x δ t {\displaystyle \pi \hbar =E_{max}\delta t_{\perp }}

dla kubitu

| ψ q = 1 2 ( | 0 + | E m a x ) {\displaystyle \left|\psi _{q}\right\rangle ={\frac {1}{\sqrt {2}}}\left(\left|0\right\rangle +\left|E_{max}\right\rangle \right)}

o zrównoważonej superpozycji.

Dowód
Jeżeli δ t = π E m a x {\displaystyle \delta t_{\perp }={\frac {\pi \hbar }{E_{max}}}} wówczas
S ( δ t ) = n | c n | 2 e i π E n E m a x = n | c n | 2 ( cos ( π E n E m a x ) i sin ( π E n E m a x ) ) = 0 {\displaystyle S(\delta t_{\perp })=\sum _{n}|c_{n}|^{2}e^{-i\pi {\frac {E_{n}}{E_{max}}}}=\sum _{n}|c_{n}|^{2}\left(\cos \left(\pi {\frac {E_{n}}{E_{max}}}\right)-i\sin \left(\pi {\frac {E_{n}}{E_{max}}}\right)\right)=0} ,

co zachodzi[2] wtedy i tylko wtedy gdy E 0 = 0 {\displaystyle E_{0}=0} , E 1 = E m a x = π δ t , {\displaystyle E_{1}=E_{max}={\frac {\pi \hbar }{\delta t_{\perp }}},} oraz | c 0 | 2 = | c 1 | 2 = 1 2 {\displaystyle |c_{0}|^{2}=|c_{1}|^{2}={\frac {1}{2}}} .

Zobacz też

Przypisy

  1. a b LeonidL. Mandelstam LeonidL., IgorI. Tamm IgorI., The Uncertainty Relation Between Energy and Time in Non-relativistic Quantum Mechanics, t. 9, J. Phys. (USSR), 1945, s. 222–228, DOI: 10.1093/bjps/47.2.222 .
  2. a b c d e f g h i Lev B.L.B. Levitin Lev B.L.B., TommasoT. Toffoli TommasoT., Fundamental Limit on the Rate of Quantum Dynamics: The Unified Bound Is Tight, „Physical Review Letters”, 16, 103, 2009, s. 160502, DOI: 10.1103/PhysRevLett.103.160502, ISSN 0031-9007, PMID: 19905679, Bibcode: 2009PhRvL.103p0502L, arXiv:0905.3417 .
  3. NormanN. Margolus NormanN., Lev B.L.B. Levitin Lev B.L.B., The maximum speed of dynamical evolution, „Physica D”, 1–2, 120, 1998, s. 188–195, DOI: 10.1016/S0167-2789(98)00054-2, Bibcode: 1998PhyD..120..188M, arXiv:quant-ph/9710043 .