量子测量4节北京大学物理学院.docx

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[北京大学《量子信息物理原理》课程讲稿](III) §1.4, 广义测量与 POVM 1,开放系统的广义测量 通过把与所考虑系统有相互作用的外部系统都计算进来,构成足够大系统的办法,总能以足够好的近似将这个大复合系统看作是孤立 体系。人们知道,或者准确些说是相信,孤立系量子测量必定是正交投影测量。因此可以说,对如此构成的大系统中某一组相互对易力学量完备组进行的量子测量,必定是正交投影测量。就是说,测量所得的必定是这个完备组共同本征态的量子数,测量所实现的也必定是向这个完备组相互正交共同本征态的投影。以前的量子力学都是针对封闭系统的。 现在研究开放系统也就是子系统的量子力学。注意,大系统的一组相互正交的本征态族在子系统所属子空间中的对应态未必仍然相 互正交!于是可以设想,不知道(根本不知道、不想知道、难以知道) 大系统、只知道子系统(!)的观察者会认为:通常情况下的量子测量将投影出一组非正交态,而不是一组正交态。这就是通常所说的“广义测量不一定是正交投影”的原故。广义测量是指,在一个由若干子系统组成的大系统上进行正交测量时,在局部的子系统上所实现的局限性测量,称为广义测量,又称为局域测量。从大系统的角度来看, 现在的子系统是个开放系统,对其进行的观测是片面的观测、局部的观测。广义测量也可以说成是对开放系统的量子测量。 总括起来,开放系统的量子力学,包括开放系统的量子测量,出现三个新特点: a)量子态可能是混的; b)量子演化可能是非幺正的、不可逆的; c)量子测量可能是非正交投影分解—POVM。 POVM 直译是“正算符取值测度”, 是个重要概念。将它表示 ?? ? ? F ? ? ? ?F? ? F F ,??? ? ? F ? F ? ? ? ? ? ? ? I , F ? ? ? F , ? F F ? ? ? ? ?? ? F , trF ? 1 ? (1.11) POVM 是以前针对封闭系统的 von Neumann 正交投影向开放系统的推广,是完全测量向非完全测量的推广。简明地说,在大系统上进行 正交测量时,在子系统中所观察到的非正交投影就是一组 POVM, 在子系统中实现的测量称为广义测量。其实,按 POVM 的含意,全称应当是“单位算符的非正交测度分解”。下面会举例详细说明。 2,局域测量——POVM i, 直和解释:空间 A ? B 正交测量在子空间 A 中表现假设所关心的态空间 是一个更大的直和空间 (1.12) 的一部分(设 的基是? i ?, 的基是?? ?,i ? ? 0, ?i, ? )。 有 正交基? u ? ?。设 M 是 中的一个可观察量,于是有以下正交分解 A 关系 M ? ? ? ? ? M ? 0 (1.13) A A u ? ?~ ? ?~ ? ? ? ? (1.14) 这里 但它们在子空间 。注意,不同? 值的 u ? 中投影部分 ?~ ,也即从子空间 ?  虽然彼此正交, 中看,这些态 ?~ 不一定正交归一。将态 ? , 归一化记为 ? ? 。按 u ? u ? 1 ,设 ? (1.15) 注意 ,同时有 。 现在假设,在大空间 中对子空间 中的一个态? 执行向基矢 A ? u ?的正交投影测量?E ? ? ? u u ? ? ?。这些测量,从“生活”在 中的 观察者来看,只得到以概率(注意? 不属于 ,其作用为零) A (1.16a) 获得测量结果? 和态? ? 。特别是,在测出? 值以后,塌缩投影 ? ? 过去的这些测量末态? 不见得彼此正交! ? 设 E ? I A A 是子空间 的单位算符,它也是大空间 向子空间 的投影算符。利用它可将 中的正交投影算符系列 ?E ? ? u u ? ? ? 向 投影。即,定义 中的一组算符  (1.17) F ? E E E F ? E E E ? ?~ ? A ? A ? ?~ ? ? ? ? ? ? ? ? 中观察所得结果 (1.16b) 这些F ? 显然是厄密的、非负的,但迹却不一定为 1(1 ? TrF ? ? ? ? 0), ? 而且也不一定彼此正交,所以不能算是正交投影算符系列。然而,它 们总和等于子空间 中的单位算符 ? F ? E ? E E ? E ? I (1.18) ? A ? A A A ? ? 因此,这些F ? 在子空间 中执行着类似于 E ? 在 空间中的投影分解 任务,但它们却不是正交投影。于是推广开来看,可以引入如下定义: [定义] 系统 A 的一个 POVM(positive operator valued mesure[2、 3]、[8]p.90、[13] p.287)是一组不一定彼此正交,但总和

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