Энтропия фон Неймана - Википедия - Von Neumann entropy

В квантовая статистическая механика, то энтропия фон Неймана, названный в честь Джон фон Нейман, является продолжением классической Энтропия Гиббса концепции в области квантовая механика. Для квантово-механической системы, описываемой матрица плотности ρ, энтропия фон Неймана равна^[1]

${ Displaystyle S = - OperatorName {tr} ( rho ln rho),}$

куда ${ displaystyle operatorname {tr}}$ обозначает след а ln обозначает (естественный) матричный логарифм. Если ρ написано с точки зрения его собственные векторы ${ Displaystyle | 1 rangle, | 2 rangle, | 3 rangle, точки}$ в качестве

${ displaystyle rho = sum _ {j} eta _ {j} left | j right rangle left langle j right | ~,}$

тогда энтропия фон Неймана просто^[1]

${ displaystyle S = - sum _ {j} eta _ {j} ln eta _ {j}.}$

В этой форме S можно рассматривать как теоретическая информация Энтропия Шеннона.^[1]

Энтропия фон Неймана также используется в различных формах (условные энтропии, относительные энтропии и др.) в рамках квантовой теории информации для характеристики энтропия запутанности.^[2]

Фон

Джон фон Нейман установил строгую математическую основу для квантовой механики в своей работе 1932 г. Математические основы квантовой механики.^[3] В нем он представил теорию измерения, в которой обычное понятие коллапса волновой функции описывается как необратимый процесс (так называемое фон Неймана или проективное измерение).

В матрица плотности был введен, с разными мотивами, фон Нейманом и Лев Ландау. Мотивом, вдохновившим Ландау, была невозможность описания подсистемы составной квантовой системы вектором состояния.^[4] С другой стороны, фон Нейман ввел матрицу плотности для развития как квантовой статистической механики, так и теории квантовых измерений.

Разработанный таким образом формализм матрицы плотности распространил инструменты классической статистической механики на квантовую область. В классических рамках распределение вероятностей и функция распределения системы позволяет вычислить все возможные термодинамические величины. Фон Нейман ввел матрицу плотности, которая играет ту же роль в контексте квантовых состояний и операторов в комплексном гильбертовом пространстве. Знание оператора статистической матрицы плотности позволило бы нам вычислить все средние квантовые объекты концептуально аналогичным, но математически другим способом.

Допустим, у нас есть набор волновых функций |Ψ〉, Которые параметрически зависят от набора квантовых чисел п₁, п₂, ..., п_N. Естественная переменная, которая у нас есть, - это амплитуда, с которой определенная волновая функция базового набора участвует в действительной волновой функции системы. Обозначим квадрат этой амплитуды через п(п₁, п₂, ..., п_N). Цель состоит в том, чтобы превратить это количество п в классическую функцию плотности в фазовом пространстве. Мы должны проверить, что п переходит в функцию плотности в классическом пределе, и что она имеет эргодический характеристики. После проверки этого п(п₁, п₂, ..., п_N) - постоянная движения, эргодическое предположение для вероятностей п(п₁, п₂, ..., п_N) делает п функция только энергии.

После этой процедуры мы, наконец, приходим к формализму матрицы плотности при поиске формы, в которой п(п₁, п₂, ..., п_N) инвариантно относительно используемого представления. В том виде, в котором он написан, он даст правильные математические ожидания только для величин, диагональных по отношению к квантовым числам. п₁, п₂, ..., п_N.

В математических ожиданиях операторов, которые не являются диагональными, учитываются фазы квантовых амплитуд. Предположим, мы кодируем квантовые числа п₁, п₂, ..., п_N в единый индекс я или же j. Тогда наша волновая функция имеет вид

${ Displaystyle left | Psi right rangle , = , sum _ {i} a_ {i} , left | psi _ {i} right rangle.}$

Ожидаемое значение оператора B которая не является диагональной в этих волновых функциях, поэтому

${ displaystyle left langle B right rangle , = , sum _ {i, j} a_ {i} ^ {*} a_ {j} , left langle i right | B left | j right rangle.}$

Роль, которая изначально была зарезервирована для количества ${ displaystyle left | a_ {i} right | ^ {2}}$ таким образом замещается матрицей плотности системы S.

${ Displaystyle left langle j right | , rho , left | i right rangle , = , a_ {j} , a_ {i} ^ {*}.}$

Следовательно, <B〉 Читает

${ displaystyle left langle B right rangle , = , operatorname {tr} ( rho B) ~.}$

Инвариантность указанного члена описывается теорией матриц. Была описана математическая структура, в которой математическое ожидание квантовых операторов, описываемое матрицами, получается путем взятия следа произведения оператора плотности ${ displaystyle { hat { rho}}}$ и оператор ${ displaystyle { hat {B}}}$ (Гильбертово скалярное произведение операторов). Матричный формализм здесь находится в рамках статистической механики, хотя он также применим и для конечных квантовых систем, что обычно имеет место, когда состояние системы не может быть описано с помощью чистое состояние, но как статистический оператор ${ displaystyle { hat { rho}}}$ формы выше. Математически, ${ displaystyle { hat { rho}}}$ положительно-полуопределенный Эрмитова матрица с единичной трассировкой.

Определение

Учитывая матрицу плотности ρ, фон Нейман определил энтропию^[5][6] в качестве

${ Displaystyle S ( rho) , = , - operatorname {tr} ( rho ln rho),}$

что является правильным продолжением Энтропия Гиббса (с точностью до фактора k_B) и Энтропия Шеннона к квантовому случаю. Вычислить S(ρ) это удобно (см. логарифм матрицы ) для вычисления собственное разложение из ${ displaystyle ~ rho = sum _ {j} eta _ {j} left | j right rangle left langle j right |}$. Энтропия фон Неймана тогда определяется выражением

${ Displaystyle S ( rho) , = , - sum _ {j} eta _ {j} ln eta _ {j} ~.}$

Поскольку для чистого состояния матрица плотности имеет вид идемпотент, ρ = ρ², энтропия S(ρ), поскольку он исчезает. Таким образом, если система конечна (конечномерное матричное представление), энтропия S(ρ) количественно уход системы из чистого состояния. Другими словами, он кодифицирует степень перемешивания состояния, описывающего данную конечную систему. декогер квантовая система во что-то невмешательство и якобы классический; так, например, исчезающая энтропия чистого состояния ${ displaystyle Psi = ( left | 0 right rangle + left | 1 right rangle) / { sqrt {2}}}$, соответствующая матрице плотности

${ displaystyle rho = {1 over 2} { begin {pmatrix} 1 & 1 1 & 1 end {pmatrix}}}$

увеличивается до ${ Displaystyle S = пер 2 приблизительно 0,69}$ для смеси результатов измерения

${ displaystyle rho = {1 over 2} { begin {pmatrix} 1 & 0 0 & 1 end {pmatrix}}}$

поскольку информация о квантовой интерференции стирается.

Характеристики

Некоторые свойства энтропии фон Неймана:

• S(ρ) равен нулю тогда и только тогда, когда ρ представляет собой чистое состояние.
• S(ρ) максимальна и равна пер N для максимально смешанное состояние, N будучи измерением Гильбертово пространство.
• S(ρ) инвариантен при изменении базиса ρ, то есть, S(ρ) = S(UρU^†), с U унитарное преобразование.
• S(ρ) вогнутая, то есть с учетом набора положительных чисел λ_я которые в сумме равны единице (${ Displaystyle Sigma _ {я} лямбда _ {я} = 1}$) и операторов плотности ρ_я, у нас есть

${ displaystyle S { bigg (} sum _ {i = 1} ^ {k} lambda _ {i} , rho _ {i} { bigg)} , geq , sum _ { i = 1} ^ {k} lambda _ {i} , S ( rho _ {i}).}$

• S(ρ) удовлетворяет оценке

${ Displaystyle S { bigg (} sum _ {я = 1} ^ {k} lambda _ {i} , rho _ {i} { bigg)} , leq , sum _ { i = 1} ^ {k} lambda _ {i} , S ( rho _ {i}) - sum _ {i = 1} ^ {k} lambda _ {i} log lambda _ { я}.}$

где равенство достигается, если ρ_я имеют ортогональную опору и, как и раньше ρ_я операторы плотности и λ_я представляет собой набор положительных чисел, сумма которых равна единице (${ Displaystyle Sigma _ {я} лямбда _ {я} = 1}$)

• S(ρ) является добавкой для независимых систем. Учитывая две матрицы плотности ρ_А , ρ_B описание независимых систем А и B, у нас есть

${ Displaystyle S ( rho _ {A} otimes rho _ {B}) = S ( rho _ {A}) + S ( rho _ {B})}$.

• S(ρ) сильно субаддитивен для любых трех систем А, B, и C:

${ Displaystyle S ( rho _ {ABC}) + S ( rho _ {B}) leq S ( rho _ {AB}) + S ( rho _ {BC}).}$

Это автоматически означает, что S(ρ) является субаддитивом:

${ Displaystyle S ( rho _ {AC}) leq S ( rho _ {A}) + S ( rho _ {C}).}$

Ниже обсуждается концепция субаддитивности с последующим ее обобщением до сильной субаддитивности.

Субаддитивность

Если ρ_А, ρ_B являются уменьшенные матрицы плотности общего состояния ρ_AB, тогда

${ Displaystyle влево | S ( rho _ {A}) , - , S ( rho _ {B}) right | , leq , S ( rho _ {AB}) , leq , S ( rho _ {A}) , + , S ( rho _ {B}) ~.}$

Это правое неравенство известно как субаддитивность. Два неравенства вместе иногда называют неравенство треугольника. Они были доказаны в 1970 г. Хузихиро Араки и Эллиотт Х. Либ.^[7] В то время как в теории Шеннона энтропия составной системы никогда не может быть ниже энтропии любой из ее частей, в квантовой теории это не так, т. Е. Возможно, что S(ρ_AB) = 0, пока S(ρ_А) = S(ρ_B) > 0.

Интуитивно это можно понять следующим образом: в квантовой механике энтропия совместной системы может быть меньше суммы энтропии ее компонентов, поскольку компоненты могут быть запутанный. Например, как явным образом видно, Состояние колокола двух отжимов,

${ Displaystyle left | psi right rangle = left | uparrow downarrow right rangle + left | downarrow uparrow right rangle,}$

чистое состояние с нулевой энтропией, но каждый спин имеет максимальную энтропию, если рассматривать его индивидуально в его приведенная матрица плотности.^[8] Энтропия в одном спине может быть «отменена» путем корреляции с энтропией другого. Левое неравенство можно примерно интерпретировать как утверждение, что энтропия может быть отменена только равным количеством энтропии.

Если система А и система B имеют разное количество энтропии, меньшее может только частично компенсировать большее, и некоторая энтропия должна быть оставлена. Аналогичным образом, правое неравенство можно интерпретировать как утверждение, что энтропия составной системы максимизируется, когда ее компоненты не коррелированы, и в этом случае полная энтропия является просто суммой субэнтропий. Это может быть более интуитивно понятным в формулировка фазового пространства вместо единицы в гильбертовом пространстве, где энтропия фон Неймана равна минус ожидаемому значению ★-логарифм Функция Вигнера, −∫ f ★ бревно_★ж  dx дп, до смещения сдвига.^[6] До этого сдвига смещения нормализации энтропия равна мажоритарный этим его классический предел.

Сильная субаддитивность

Энтропия фон Неймана также сильно субаддитивный. Учитывая три Гильбертовы пространства, А, B, C,

${ Displaystyle S ( rho _ {ABC}) , + , S ( rho _ {B}) , Leq , S ( rho _ {AB}) , + , S ( rho _{ДО Н.Э}).}$

Это более сложная теорема, и она была впервые доказана Дж. Кифер в 1959 г.^[9][10] и независимо Эллиотт Х. Либ и Мэри Бет Рускай в 1973 г.,^[11] используя матричное неравенство Эллиотт Х. Либ^[12] доказано в 1973 г. Используя технику доказательства, устанавливающую левую часть неравенства треугольника выше, можно показать, что сильное неравенство субаддитивности эквивалентно следующему неравенству.

${ Displaystyle S ( rho _ {A}) , + , S ( rho _ {C}) , Leq , S ( rho _ {AB}) , + , S ( rho _{ДО Н.Э})}$

когда ρ_ABи т. д. - приведенные матрицы плотности матрицы плотности ρ_ABC. Если мы применим обычную субаддитивность к левой части этого неравенства и рассмотрим все перестановки А, B, C, получаем неравенство треугольника за ρ_ABC: Каждое из трех чисел S(ρ_AB), S(ρ_{до н.э}), S(ρ_AC) меньше или равен сумме двух других.

Смотрите также

Рекомендации