Энтропия фон Неймана

редактировать
Тип энтропии в квантовой теории

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

S = - tr ⁡ (ρ ln ⁡ ρ), {\ displaystyle S = - \ operatorname {tr} (\ rho \ ln \ rho),}{\ displaystyle S = - \ operatorname {tr} (\ rho \ ln \ rho),}

где tr {\ displaystyle \ operatorname {tr}}\ operatorname { tr} обозначает след, а ln обозначает (естественный) матричный логарифм. Если ρ записано в терминах его собственных векторов | 1⟩, | 2⟩, | 3⟩,… {\ displaystyle | 1 \ rangle, | 2 \ rangle, | 3 \ rangle, \ dots}{\ displaystyle | 1 \ rangle, | 2 \ rangle, | 3 \ rangle, \ dots} as

ρ = ∑ j η j | j⟩ ⟨j |, {\ displaystyle \ rho = \ sum _ {j} \ eta _ {j} \ left | j \ right \ rangle \ left \ langle j \ right | ~,}\ rho = \ sum _ {j} \ eta _ {j} \ left | j \ right \ rangle \ left \ langle j \ right | ~,

тогда энтропия фон Неймана просто

S = - j η j ln ⁡ η j. {\ displaystyle S = - \ sum _ {j} \ eta _ {j} \ ln \ eta _ {j}.}{\ displaystyle S = - \ sum _ {j} \ eta _ {j} \ ln \ eta _ {j }.}

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.

Содержание
  • 1 Предпосылки
  • 2 Определение
  • 3 Свойства
    • 3.1 Субаддитивность
    • 3.2 Сильная субаддитивность
  • 4 См. Также
  • 5 Ссылки
Предпосылки

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

| Ψ⟩ = ∑ я а я | ψ я⟩. {\ displaystyle \ left | \ Psi \ right \ rangle \, = \, \ sum _ {i} a_ {i} \, \ left | \ psi _ {i} \ right \ rangle.}\ left | \ Psi \ right \ rangle \, = \, \ sum _ {i} a_ {i} \, \ left | \ psi _ {i} \ right \ rangle.

математическое ожидание оператора B, не диагонального по этим волновым функциям, поэтому

⟨B⟩ = ∑ i, jai ∗ aj ⟨i | B | j⟩. {\ displaystyle \ left \ langle B \ right \ rangle \, = \, \ sum _ {i, j} a_ {i} ^ {*} a_ {j} \, \ left \ langle i \ right | B \ left | j \ right \ rangle.}\ 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 | а я | 2 {\ displaystyle \ left | a_ {i} \ right | ^ {2}}\ left | a_ {i} \ right | ^ {2} , таким образом, переходит в матрицу плотности системы S.

⟨j | ρ | i⟩ = a j a i ∗. {\ Displaystyle \ left \ langle j \ right | \, \ rho \, \ left | i \ right \ rangle \, = \, a_ {j} \, a_ {i} ^ {*}.}\ left \ langle j \ right | \, \ rho \, \ left | i \ right \ rangle \, = \, a_ {j} \, a_ {i} ^ {*}.

Следовательно, 〈B〉 читается как

⟨B⟩ = tr ⁡ (ρ B). {\ displaystyle \ left \ langle B \ right \ rangle \, = \, \ operatorname {tr} (\ rho B) ~.}{\ displaystyle \ left \ langle B \ right \ rangle \, = \, \ operatorname {tr} (\ rho B) ~.}

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 ρ ^ {\ displaystyle {\ hat {\ rho}}}{\ hat {\ rho}} и оператор B ^ {\ displaystyle {\ hat {B}}}{\ hat { B}} (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 ρ ^ {\ displaystyle {\ hat {\ rho}}}{\ hat {\ rho}} приведенной выше формы. Математически ρ ^ {\ displaystyle {\ hat {\ rho}}}{\ hat {\ rho}} является положительно-полуопределенной эрмитовой матрицей с единичным следом.

Определение

Учитывая матрицу плотности ρ, фон Нейман определил энтропию как

S (ρ) = - tr ⁡ (ρ ln ⁡ ρ), {\ displaystyle S (\ rho) \, = \, - \ operatorname {tr} (\ rho \ ln \ rho),}{\ Displaystyle S (\ rho) \, = \, - \ operatorname {tr} (\ rho \ ln \ rho),}

, 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 ρ = ∑ j η j | j⟩ ⟨j | {\ displaystyle ~ \ rho = \ sum _ {j} \ eta _ {j} \ left | j \ right \ rangle \ left \ langle j \ right |}~ \ rho = \ sum _ {j} \ eta _ {j} \ left | j \ right \ rangle \ left \ langle j \ right | . Энтропия фон Неймана тогда определяется как

S (ρ) = - j η j ln ⁡ η j. {\ displaystyle S (\ rho) \, = \, - \ sum _ {j} \ eta _ {j} \ ln \ eta _ {j} ~.}S (\ rho) \, = \, - \ sum _ {j} \ eta _ {j} \ ln \ eta _ {j} ~.

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 Ψ = (| 0⟩ + | 1⟩) / 2 {\ displaystyle \ Psi = (\ left | 0 \ right \ rangle + \ left | 1 \ right \ rangle) / {\ sqrt {2}}}\ Psi = (\ left | 0 \ right \ rangle + \ left | 1 \ right \ rangle) / {\ sqrt {2}} , что соответствует матрице плотности

ρ = 1 2 (1 1 1 1) {\ displaystyle \ rho = {1 \ over 2} {\ begin {pmatrix} 1 1 \\ 1 1 \ end {pmatrix}}}\ rho = {1 \ over 2} {\ begin {pmatrix} 1 1 \\ 1 1 \ end {pmatrix}}

увеличивается до S = ln ⁡ 2 ≈ 0,69 {\ displaystyle S = \ ln 2 \ приблизительно 0,69}{\ displaystyle S = \ ln 2 \ приблизительно 0,6 9} для смесь результатов измерения

ρ = 1 2 (1 0 0 1) {\ displaystyle \ rho = {1 \ over 2} {\ begin {pmatrix} 1 0 \\ 0 1 \ end {pmatrix}}}\ rho = {1 \ over 2} {\ begin {pmatrix} 1 0 \\ 0 1 \ end {pmatrix}}

в качестве информация о квантовой интерференции стирается.

Свойства

Некоторые свойства энтропии фон Неймана:

  • S (ρ) равно нулю тогда и только тогда, когда ρ представляет чистое состояние.
  • S (ρ) максимальна и равна ln N для максимально смешанного состояния, где N, являющаяся размерностью гильбертова пространства.
  • S (ρ), инвариантна относительно изменений в базисе ρ, т. е. S (ρ) = S (UρU), где U - унитарное преобразование.
  • S (ρ) вогнутая, т. Е. Задан набор положительных чисел λ i, сумма которых равна единице. (Σ я λ я = 1 {\ displaystyle \ Sigma _ {i} \ lambda _ {i} = 1}\ Sigma _ {i} \ lambda _ {i} = 1 ) и операторов плотности ρ i, мы имеем
S (∑ i = 1 k λ i ρ i) ≥ ∑ i = 1 k λ i S (ρ i). {\ displaystyle S {\ bigg (} \ sum _ {i = 1} ^ {k} \ lambda _ {i} \, \ rho _ {i} {\ bigg)} \, \ geq \, \ sum _ { i = 1} ^ {k} \ lambda _ {i} \, S (\ rho _ {i}).}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
S (∑ i = 1 k λ i ρ i) ≤ ∑ i = 1 k λ i S (ρ i) - ∑ i = 1 k λ i log ⁡ λ i. {\ 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 _ { i}.}{\ displaystyle S {\ bigg (} \ sum _ {i = 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 _ {i}.}
где равенство достигается, если ρ i имеет ортогональную опору, и, как и раньше, ρ i являются операторами плотности, а λ i является набор положительных чисел, сумма которых равна единице (Σ i λ i = 1 {\ displaystyle \ Sigma _ {i} \ lambda _ {i} = 1}\ Sigma _ {i} \ lambda _ {i} = 1 )
  • S (ρ) аддитивна для независимых систем. Дано две матрицы плотности ρ A, ρ B, описывающие независимые системы A и B, имеем
S (ρ A ⊗ ρ B) = S (ρ A) + S (ρ В) {\ Displaystyle S (\ rho _ {A} \ otimes \ rho _ {B}) = S (\ rho _ {A}) + S (\ rho _ {B})}S ( \ rho _ {A} \ otimes \ rho _ {B}) = S (\ rho _ {A}) + S (\ rho _ {B}) .
  • S (ρ) является сильно субаддитивным для любых трех систем A, B и C:
S (ρ ABC) + S (ρ B) ≤ S (ρ AB) + S (ρ BC). {\ displaystyle S (\ rho _ { ABC}) + S (\ rho _ {B}) \ leq S (\ rho _ {AB}) + S (\ rho _ {BC}).}S (\ rho _ {ABC}) + S (\ rho _ {B}) \ leq S (\ rho _ {AB}) + S (\ rho _ {BC}).
Это автоматически означает, что S (ρ) субаддитивен:
S (ρ AC) ≤ S (ρ A) + S (ρ C). {\ Disp Laystyle S (\ rho _ {AC}) \ leq S (\ rho _ {A}) + S (\ rho _ {C}).}S (\ rho _ {AC}) \ leq S (\ rho _ {A}) + S (\ rho _ {C}).

Ниже обсуждается концепция субаддитивности с последующим ее обобщением на сильная субаддитивность.

Субаддитивность

Если ρ A, ρ B - это уменьшенные матрицы плотности общего состояния ρ AB, затем

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

| ψ⟩ = | ↑ ↓⟩ + | ↓ ↑⟩, {\ displaystyle \ left | \ psi \ right \ rangle = \ left | \ uparrow \ downarrow \ right \ rangle + \ left | \ downarrow \ uparrow \ right \ rangle,}\ left | \ psi \ right \ rangle = \ left | \ uparrow \ downarrow \ right \ rangle + \ left | \ downarrow \ uparrow \ right \ rangle,

- 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.

Сильная субаддитивность

Энтропия фон Неймана также сильно субаддитивна. Даны три гильбертовых пространства, A, B, C,

S (ρ A B C) + S (ρ B) ≤ S (ρ A B) + S (ρ B C). {\ Displaystyle S (\ rho _ {ABC}) \, + \, S (\ rho _ {B}) \, \ Leq \, S (\ rho _ {AB}) \, + \, S (\ rho _ {BC}).}S (\ rho _ {ABC}) \, + \, S (\ rho _ {B}) \, \ leq \, S (\ rho _ {AB}) \, + \, S (\ rho _ {BC}).

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.

S (ρ A) + S (ρ C) ≤ S (ρ AB) + S (ρ BC) {\ Displaystyle S (\ rho _ {A}) \, + \, S (\ rho _ {C }) \, \ leq \, S (\ rho _ {AB}) \, + \, S (\ rho _ {BC})}S (\ rho _ {A}) \, + \, S (\ rho _ {C}) \, \ leq \, S (\ rho _ {AB}) \, + \, S (\ rho _ {BC})

, 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.

См. Также
Список литературы
  1. ^ Bengtsson, Ingemar; Жычковски, Кароль. Геометрия квантовых состояний: введение в квантовую запутанность (1-е изд.). п. 301.
  2. ^Нильсен, Майкл А. и Исаак Чуанг (2001). Квантовые вычисления и квантовая информация (Repr. Ed.). Кембридж [u.a.]: Cambridge Univ. Нажмите. п. 700. ISBN 978-0-521-63503-5.
  3. ^Фон Нейман, Джон (1932). Mathematische Grundlagen der Quantenmechanik. Берлин: Springer. ISBN 3-540-59207-5.; Фон Нейман, Джон (1955). Математические основы квантовой механики. Издательство Принстонского университета. ISBN 978-0-691-02893-4.
  4. ^Ландау, Л. (1927). "Das Daempfungsproblem in der Wellenmechanik". Zeitschrift für Physik. 45 (5–6): 430–464. Bibcode : 1927ZPhy... 45..430L. doi : 10.1007 / BF01343064.
  5. ^Геометрия квантовых состояний: введение в квантовую запутанность, Ингемар Бенгтссон, Кароль Жичковски, стр. 301
  6. ^ Захос, К. К. (2007). «Классическая оценка квантовой энтропии». Журнал физики A: математический и теоретический. 40 (21): F407. arXiv : hep-th / 0609148. Bibcode : 2007JPhA... 40..407Z. doi : 10.1088 / 1751-8113 / 40/21 / F02.
  7. ^Хузихиро Араки и Эллиотт Х. Либ, Энтропийные неравенства, Сообщения по математической физике, том 18, 160–170 (1970).
  8. ^Зурек, В. Х. (2003). «Декогеренция, einselection и квантовые истоки классического». Обзоры современной физики. 75 (3): 715. arXiv : Quant-ph / 0105127. Bibcode : 2003RvMP... 75..715Z. doi : 10.1103 / RevModPhys.75.715.
  9. ^Кифер, Дж. (Июль 1959 г.). «Оптимальные экспериментальные проекты». Журнал Королевского статистического общества: серия B (методологическая). 21 (2): 272–310.
  10. ^Рускай, Мэри Бет. «Эволюция основной теоремы о квантовой энтропии». youtube.com. World Scientific. Проверено 20 августа 2020 года. 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.
  11. ^Эллиотт Х. Либ и Мэри Бет Рускай, Доказательство сильной субаддитивности квантово-механической энтропии, Журнал математической физики, том 14, 1938–1941 (1973).
  12. ^Эллиотт Х. Либ, Выпуклые функции следа и гипотеза Вигнера – Янаса – Дайсона, Успехи в математике, том 67, 267–288 (1973).
Последняя правка сделана 2021-06-18 05:27:16
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте