В квантовой статистической механике энтропия фон Неймана, названная в честь Джона фон Неймана, является расширением классической энтропии Гиббса в области квантовой механики. Для квантово-механической системы, описываемой матрицей плотности ρ, энтропия фон Неймана равна
где обозначает след, а ln обозначает (естественный) матричный логарифм. Если ρ записано в терминах его собственных векторов as
тогда энтропия фон Неймана просто
В этой форме S можно рассматривать как теоретик информации Энтропия Шеннона.
Энтропия фон Неймана также используется в различных формах (условные энтропии, относительные энтропии и т. Д.) В рамках квантовой теории информации для характеристики энтропия запутанности.
Джон фон Нейман установил строгую математическую основу для квантовой механики в своей работе 1932 года Математические основы квантовой механики. В нем он представил теорию измерения, в которой обычное понятие коллапса волновой функции описывается как необратимый процесс (так называемое фон Неймана или проективное измерение).
Матрица плотности была введена с разными мотивами фон Нейманом и Львом Ландау. Мотивом, который вдохновлял Ландау, была невозможность описания подсистемы составной квантовой системы вектором состояния. 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 классической схеме распределение вероятностей и статистическая сумма системы позволяют нам 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.
Предположим, у нас есть набор волновых функций | Ψ〉, которые параметрически зависят от набора квантовых чисел n 1, n 2,..., n 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 p (n 1, n 2,..., n N). Цель состоит в том, чтобы превратить эту величину p в классическую функцию плотности в фазовом пространстве. Мы должны проверить, что p переходит в функцию плотности в классическом пределе и что она имеет эргодические свойства. После проверки того, что p (n 1, n 2,..., n N) является константой движения, эргодическое предположение для вероятностей p ( n 1, n 2,..., n N) делает pa функцией только энергии.
После этой процедуры мы, наконец, достигаем формализма матрицы плотности при поиске формы, где p (n 1, n 2,..., n N) инвариантно относительно используемого представления. В том виде, в котором он написан, он будет давать правильные математические ожидания только для величин, диагональных относительно квантовых чисел n 1, n 2,..., n N.
Ожидаемые значения операторов, которые не являются диагональными, включают фазы квантовых амплитуд. Предположим, мы кодируем квантовые числа n 1, n 2,..., n N в один индекс i или j. Тогда наша волновая функция имеет вид
математическое ожидание оператора B, не диагонального по этим волновым функциям, поэтому
Роль, которая изначально была зарезервирована для количества , таким образом, переходит в матрицу плотности системы S.
Следовательно, 〈B〉 читается как
Инвариантность указанного выше члена описывается теорией матриц. Была описана математическая структура, в которой математическое ожидание квантовых операторов, описываемое матрицами, получается путем взятия следа произведения оператора плотности и оператор (скалярное произведение Гильберта между операторами). 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 чистым состоянием, но как статистический оператор приведенной выше формы. Математически является положительно-полуопределенной эрмитовой матрицей с единичным следом.
Учитывая матрицу плотности ρ, фон Нейман определил энтропию как
, которое является правильным расширением энтропии Гиббса (до коэффициента k B) и энтропия Шеннона в квантовом случае. Для вычисления S (ρ) удобно (см. логарифм матрицы ) вычислить собственное разложение матрицы . Энтропия фон Неймана тогда определяется как
Поскольку для чистого состояния матрица плотности идемпотентно, ρ = ρ, энтропия S (ρ) для него равна нулю. Таким образом, если система конечна (конечномерное матричное представление), энтропия S (ρ) количественно определяет отклонение системы от чистого состояния. Другими словами, он кодифицирует степень перемешивания состояния, описывающего данную конечную систему. Измерение декогерирует квантовую систему в нечто невмешивающееся и якобы классическое ; так, например, исчезающая энтропия чистого состояния , что соответствует матрице плотности
увеличивается до для смесь результатов измерения
в качестве информация о квантовой интерференции стирается.
Некоторые свойства энтропии фон Неймана:
Ниже обсуждается концепция субаддитивности с последующим ее обобщением на сильная субаддитивность.
Если ρ A, ρ B - это уменьшенные матрицы плотности общего состояния ρ AB, затем
Это правое неравенство известно как субаддитивность. Два неравенства вместе иногда называют неравенством треугольника . Они были доказаны в 1970 году Хузихиро Араки и Эллиоттом Х. Либом. 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, а S (ρ A) = S (ρ B)>0.
Интуитивно это можно понять следующим образом: в квантовой механике энтропия объединенной системы может быть меньше суммы энтропии ее компонентов, поскольку компоненты могут быть запутанными. Например, как явным образом видно, состояние Белла двух спин-½,
- чистое состояние с нулевая энтропия, но каждый спин имеет максимальную энтропию, если рассматривать индивидуально в его приведенной матрице плотности. Энтропию в одном спине можно «отменить», сопоставив с энтропией другого. Левое неравенство можно примерно интерпретировать как утверждение, что энтропия может быть отменена только равным количеством энтропии.
Если система A 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 формулировке фазового пространства, а не в формулировке гильбертова пространства, где энтропия фон Неймана составляет минус ожидаемое значение ★ -логарифма Функция Вигнера, −∫ f ★ log ★f dx dp, вплоть до сдвига смещения. До этого сдвига смещения нормализации энтропия мажорируется энтропией своего классического предела.
Энтропия фон Неймана также сильно субаддитивна. Даны три гильбертовых пространства, A, B, C,
Это более сложная теорема, и она была впервые доказана Дж. Кифером в 1959 г. и независимо Эллиоттом Х. Либом и Мэри Бет Рускай в 1973 г. с использованием матричного неравенства Эллиотта Х. Либа, доказанного в 1973 г.. Используя технику доказательства, которая устанавливает левую часть неравенства треугольника выше, можно показать, что сильное неравенство субаддитивности эквивалентно следующему неравенству.
, когда ρ AB и т. д. являются приведенными матрицы плотности матрицы плотности ρ ABC. Если мы применим обычную субаддитивность к левой части этого неравенства и рассмотрим все перестановки A, B, C, мы получим неравенство треугольника для ρ ABC : каждое из трех чисел S (ρ AB), S (ρ BC), S (ρ AC) меньше или равно сумме двух других.
Приглашенный доклад на конференции в честь 90-летия Фримена Дайсона, Институт перспективных исследований, Технологический университет Наньян, Сингапур, 26-29 августа 2013 года. Записка о Кифере (1959) находится в 26:40 mark.