矩阵的偏迹

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HAHAHBHB,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:

HA,B=HAHBHA,B=HA⨂HB

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:

ρA=TrB(ρA,B)=i=1NBwi|ρA,B|wiρA=TrB(ρA,B)=∑i=1NB⟨wi|ρA,B|wi⟩

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,Bwiwi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:

|X=a,bxa,b|a|b|X⟩=∑a,bxa,b|a⟩⨂|b⟩

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HAHAHBHB的基向量。既然{b}{b}HBHB的一组基,那么自然可以把HBHB中的任意一个向量Y分解:

|Y=byb|b|Y⟩=∑byb|b⟩

那么定义X与Y的内积为:
X|Y=a,bxa,ba|b|byb|b=a,b,bxa,b yb a| b|b⟨X|Y⟩=∑a,bxa,b∗⟨a|⨂⟨b|⋅∑byb|b⟩=∑a,b,b′xa,b∗ yb′ ⟨a| ⟨b|b′⟩

三、复合空间中的矩阵与子空间中的向量内积

ρρ为复合空间中的矩阵,则:

ρ,B=a,a,b,b|a|bb|a|ρA,B=∑a,a′,b,b′|a⟩⨂|b⟩⟨b′|⨂⟨a′|

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:

Y|ρA,B|Y=(b ybb|)(a,a,b,b ρa,ab,b|a|bb|a|)(b yb|b)  =a,aρa,a,b,b yb yb|aa|⟨Y|ρA,B|Y⟩=(∑b″ yb″∗⟨b″|)(∑a,a′,b,b′ ρa,a′b,b′|a⟩⨂|b⟩⟨b′|⨂⟨a′|)(∑b″ yb″|b″⟩)  =∑a,a′ρa,a′,b,b′ yb″ yb″∗|a⟩⟨a|

所以不难理解偏迹运算写成矩阵形式相当于:

bωb|ρA,B|ωb=a,a,b,bρa,a,b,b|aa| b|b∑b⟨ωb|ρA,B|ωb⟩=∑a,a′,b,b′ρa,a′,b,b′|a⟩⟨a| ⟨b|b′⟩
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