密度算子的性質(zhì)及其應(yīng)用

秦欣云 許道云

摘 要：在量子力學(xué)中，密度算子作為量子系統(tǒng)的混合狀態(tài)表示，其表達能力和性質(zhì)得到廣泛應(yīng)用。本文基于矩陣和密度算子基礎(chǔ)理論，利用Bloch向量表示單量子比特，得到純態(tài)和混合態(tài)的密度矩陣的奇異值分解表達式和冪形式。通過分析密度矩陣的若爾當標準形，得到密度算子的一些特殊性質(zhì)。利用密度算子的基本性質(zhì)，通過選取二進制點作為量子比特的基矢，分析了由密度矩陣表示的多量子比特系統(tǒng)中量子疊加態(tài)的相干性，并研究了密度算子作為量子態(tài)可區(qū)分的數(shù)學(xué)理論。

關(guān)鍵詞：密度算子；奇異值分解；若爾當標準形；相干性；可區(qū)分性

中圖分類號：O413.1

文獻標識碼： A

隨著量子計算和量子計算機等相關(guān)領(lǐng)域的研究發(fā)展[1-5]，量子力學(xué)已成為量子理論發(fā)展中一門重要的基礎(chǔ)學(xué)科，密度算子作為量子力學(xué)的一個重要概念，簡化了某些具體問題的計算。同時，量子測量作為量子力學(xué)基本假設(shè)之一，它聯(lián)系著經(jīng)典世界和量子世界，而密度算子作為量子測量中的一種重要量子態(tài)，其基本性質(zhì)為研究量子態(tài)的可區(qū)分性提供了理論工具。

密度算子的概念是Von Neumann等人在1927年為了描述量子力學(xué)中的統(tǒng)計概念首次提出的。近年來它被廣泛用于描述量子力學(xué)中的混合狀態(tài)和復(fù)合系統(tǒng)，在描述過程中，密度算子有多種表示形式。如李靜[6]證明了任意密度矩陣都可以被ρ=I+r→·σ2唯一表示，但此形式在分析密度矩陣的具體分解形式時有局限性，不便于具體運算。丁巍巍等人[7]首先利用特殊酉群SU（R）的典型生成元構(gòu)造矩陣空間的兩組Hamel基，然后在這兩組基底下描述了多體量子系統(tǒng)中密度矩陣的表示，此表示方法僅對特殊酉群中的基底有效。最近的工作是楊瑩等人[8]于2015年采用內(nèi)積的方法給出的二階、四階、八階、2n階密度矩陣的表示形式，但在基底中使用張量積不便于展開分析密度矩陣。

更具挑戰(zhàn)的是在不同的表達形式下，會得到不同的密度算子性質(zhì)。為了進一步完善密度算子的性質(zhì)理論，本文將根據(jù)性質(zhì)的研究需要來選取最合適的密度算子的表達形式。

1 基礎(chǔ)知識

在量子計算中，密度算子作為描述量子狀態(tài)的一般表示被引入。在密度算子性質(zhì)的研究過程中需要一些矩陣和密度算子的基礎(chǔ)理論，更詳細的知識請參見文獻[9]和[10]。

1.1 矩陣理論

矩陣分解是矩陣理論中重要的組成部分之一。本文主要涉及到矩陣的奇異值分解。

定理[10]（奇異值分解） 令A(yù)是一個方陣，則必定存在酉矩陣U、V和一個非負對角陣D，使得A=UDV，其中D的對角元素稱為A的奇異值。

實際上，奇異值分解是譜分解和極式分解的結(jié)合。用密度算子語言表示奇異值分解：密度算子ρ是一個方陣，則必定存在酉矩陣U、V和一個非負對角陣D，使得ρ=UDV，其中D的對角元素稱為ρ的奇異值。

2 密度矩陣的分解性

矩陣分解就是將矩陣“分而治之”為數(shù)個簡單矩陣的運算?？梢岳梅纸夂蟮臄?shù)個簡單矩陣特性來研究原矩陣本身的結(jié)構(gòu)特征和性質(zhì)。

3 密度算子性質(zhì)的應(yīng)用

3.1 量子疊加態(tài)的相干性

量子計算機在實現(xiàn)高效率的并行運算過程中，需要用到量子疊加態(tài)的相干性。本部分主要是從一個新的角度來分析量子疊加態(tài)的相干性。

定理3.1[11] 混合態(tài)不存在相干性，如果單量子體系中的量子比特的純態(tài)密度矩陣的非對角元素不等于零，混合態(tài)的密度矩陣非對角元素為零。

基于定理3.1，進一步來分析多體量子比特系統(tǒng)中量子疊加態(tài)的相干性。

定理3.2 由復(fù)合系統(tǒng)的密度矩陣可得到子系統(tǒng)的約化密度矩陣，則子系統(tǒng)不具有相干性，如果在任意兩體量子比特系統(tǒng)中，子系統(tǒng)的約化密度矩陣平方的跡小于1。

從定理3.1、定理3.2和定理3.3可以得出：對于單量子比特系統(tǒng)，可用密度矩陣的對角元素直接分析量子疊加態(tài)的相干性；對于多量子比特系統(tǒng)，可用子系統(tǒng)的約化密度矩陣分析量子疊加態(tài)的相干性。

3.2 密度算子可區(qū)分的數(shù)學(xué)理論

量子態(tài)的可區(qū)分性是量子信息理論中量子測量的一個重要應(yīng)用。

4 結(jié)束語

本文通過研究密度矩陣的奇異值分解和若爾當標準形，得出純態(tài)和混合態(tài)的密度矩陣的奇異值分解形式以及密度矩陣的一些基本性質(zhì)，這些結(jié)果不僅有助于更好的理解密度算子，而且為密度矩陣相關(guān)理論的更深層次研究提供了便利。其次，還將密度算子的性質(zhì)應(yīng)用到量子力學(xué)中其他性質(zhì)的證明上：分析了多量子比特系統(tǒng)中量子疊加態(tài)的相干性，并拓展了密度算子作為量子態(tài)可區(qū)分的數(shù)學(xué)理論。

參考文獻：

[1]郭光燦， 張昊， 王琴. 量子信息技術(shù)發(fā)展概況[J]. 南京郵電大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2017， 37（3）： 1-14.

[2]程巍， 董莉， 修曉明. 聯(lián)合旋轉(zhuǎn)噪聲下單光子與兩光子態(tài)的隱形傳送[J]. 渤海大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2011， 32（4）：320-324.

[3]周正威， 涂濤， 龔明， 等. 量子計算的進展和展望[J]. 物理學(xué)進展， 2009， 29（2）： 127-165.

[4]郭光燦， 周正威， 郭國平， 等. 量子計算機的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J]. 中國科學(xué)院院刊， 2010， 25 （5）： 516-524.

[5]Knill E. Physics： Quantum computing[J]. Nature， 2010， 463（7280）： 441-3.

[6]李靜. 量子比特的密度矩陣表示[J]. 陝西理工學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2011， 27（3）： 69-72.

[7]丁巍巍， 陶元紅， 李嫦娥. 多體量子系統(tǒng)密度矩陣的表示[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報 （理學(xué)版）， 2013， 51（05）： 831-835.

[8]楊瑩， 曹懷信. 密度矩陣的表示[J]. 應(yīng)用泛函分析學(xué)報， 2015， 17（1）： 1-12.

[9]Nielsen M A， Chuang I L. Quantum Computation and Quantum Information， 10th Anniversary Edition[M]. Cambridge： Cambridge University Press， 2011.

[10]陳公寧. 矩陣理論與應(yīng)用[M]. 北京： 科學(xué)出版社， 2007.

[11]張登玉， 楊昆， 唐志祥. 能級間同時存在衰變和躍遷時的消相干特性[J]. 原子與分子物理學(xué)報， 2005， 22（1）： 137-142.

[12]Acín A， Andrianov A， Jané E， et al. Three-qubit pure-state canonical forms[J]. Journal of Physics A General Physics， 2001， 34（35）： 6725-6739.

[13]王文華. 量子測量的相關(guān)問題研究與應(yīng)用[D]. 西安： 陜西師范大學(xué)， 2012.

（責(zé)任編輯：曾 晶）