量子系統(tǒng)中的SU（R）典型生成元

李嫦娥，卜繁強，陶元紅

（1.延邊大學 理學院數(shù)學系，吉林 延吉133002；2.延邊大學 師范分院，吉林 延吉133002）

特殊酉群SU（R）在量子物理中應(yīng)用廣泛，如在粒子物理的標準模型中，群SU（2）應(yīng)用于電弱相互作用中［1］；群SU（3）應(yīng)用于量子色動力學中［2－3］.本文研究特殊酉群SU（R）典型生成元的性質(zhì)，并給出了單粒子量子態(tài)密度矩陣的具體表示形式及其表示系數(shù)所滿足的關(guān)系式.

1 預備知識

對角生成元有R－1個，形式如下：

定義λ矩陣如下：

由此可得R2－1個跡為0的生成元｛λi，i＝1，2，…，R2－1｝，稱該組生成元為SU（R）的典型生成元.

構(gòu)造典型生成元的初等矩陣滿足如下性質(zhì)：

根據(jù)引理1，SU（R）的典型生成元滿足如下性質(zhì)：

引理2［6］設(shè)｛λi，i＝1，2，…，R2－1｝為SU（R）的典型生成元，則tr（λi）＝0，tr（λiλj）＝2δij.

2 典型生成元的性質(zhì)

定理1 設(shè)｛λj，j＝1，2，…，R2－1｝為SU（R）的典型生成元，則如下等式成立：

證明：根據(jù)k，q，l，p的取值，下面分3種情形討論.

① 若k＝q＝l＝p＝R，則有

② 若k＝q＝l＝p≠R，用歸納法證明式（1）.當k＝1時，顯然有

設(shè)k＝s時有

當k＝s＋1時，由于

因此

即式（1）成立，從而定理1結(jié)論成立.

情形3）k，q，p，l兩兩相等且不全相等.此時，又分3種情形.

① 若k＝q≠l＝p，不妨設(shè)k＝q＞l＝p.易證2（δkqδlp－R－1δklδpq）＝2.于是，

② 若k＝p≠l＝q，不妨設(shè)k＝p＞l＝q，易證此時有2（δkqδlp－R－1δklδpq）＝0.于是

③ 若k＝l≠q＝p，不妨設(shè)k＝l＜q＝p，易證此時有2（δkqδlp－R－1δklδpq）＝－2／R.當k＝l＜q＝p＝R時，有

當k＝l＜q＝p≠R時，有

綜上，定理1結(jié)論成立.

3 單粒子態(tài)密度矩陣的性質(zhì)

R維Hilbert空間上任意一個Hermitian算子均可由單位算子I和特殊酉群SU（R）的生成元表示［5］.由于R維系統(tǒng)的密度算子ρ是跡為1的半正定Hermitian算子，因此ρ可用單位算子和SU（R）生成元表示，即

其中：IR為R×R的單位矩陣；｛λj：j＝1，2，…，R2－1｝為SU（R）的典型生成元；aj均為實數(shù).若密度算子ρ滿足tr（ρ2）＝1，則稱ρ為純態(tài)［7］；若tr（ρ2）＜1，則稱ρ為混合態(tài)［7］.

式（2）系數(shù)滿足的關(guān)系式可參見文獻［8－9］.本文利用定理1討論單粒子態(tài)密度矩陣的形式及其系數(shù)滿足的關(guān)系式.

證明：1）由式（2）和引理1，可得

故式（3）成立.

2）先證

設(shè)ρ和λj的矩陣形式如下：

則矩陣ρλj表示如下：

于是，

即式（4）成立，從而定理2成立.

證明：由于混合態(tài)對應(yīng)的密度矩陣ρ滿足tr（ρ2）＜1，因此類似定理2的證明過程即得結(jié)論.

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