一、定义
矩阵的偏迹运算是量子力学中的一种特殊的运算,它是一种特殊的矩阵迹运算。只不过这种取迹的过程并不是对全空间展开的,而是对某一个子空间。
如果有两个希尔伯特空间分别记为HAHA和HBHB,它们可以分别用来表示两个量子系统A和B,那么就能对这两个空间做直积运算,从而得到系统A与B的复合系统,记为:
设空间HA,BHA,B中的密度矩阵为ρA,BρA,B。再设{wi|i=1,2,...,NB}{wi|i=1,2,...,NB}为空间HBHB的一组基矢,其中NBNB为空间HBHB的维度,那么定义ρA,BρA,B对子系统B求偏迹为:
上式是按照狄拉克记号写的。其中⟨wi|ρA,B|wi⟩⟨wi|ρA,B|wi⟩表示ρA,BρA,B与wiwi做内积。但是,ρA,BρA,B是复合希尔伯特空间HA,BHA,B中的矩阵,而wiwi是空间HBHB中的变量,所以这两者做内积就比较特殊。
二、复合空间中的向量与子空间中的向量的内积
为了说明这种内积究竟是如何运算的,需要先定义A,B复合系统(复合空间HA,BHA,B)中的向量与B空间中的向量做内积是什么意思。
假设X是HA,BHA,B中的向量。这样X可以写成:
也就是将X分解为HA,BHA,B中的一组基向量的线性叠加。其中|a⟩⨂|b⟩|a⟩⨂|b⟩就是任意一个基向量。而a,b分别又是HAHA和HBHB的基向量。既然{b}{b}是HBHB的一组基,那么自然可以把HBHB中的任意一个向量Y分解:
那么定义X与Y的内积为:
三、复合空间中的矩阵与子空间中的向量内积
设ρρ为复合空间中的矩阵,则:
其中a,a’是中的一组基,b,b’是中的基向量。|⟩⟨||⟩⟨|运算表示向量的直积运算。其中的运算法则就是按照狄拉克记号,把它分解为向量的内积运算:
所以不难理解偏迹运算写成矩阵形式相当于: