शुद्धता (क्वांटम यांत्रिकी)

क्वांटम यांत्रिकी और विशेष रूप से क्वांटम सूचना सिद्धांत में, सामान्यीकृत क्वांटम अवस्था की शुद्धता को एक अदिश राशि के रूप में परिभाषित किया जाता है$$\gamma \, \equiv \, \operatorname{tr}(\rho^2) $$जिस जगह $$\rho \,$$ अवस्था का घनत्व आव्युह है और $$\operatorname{tr}$$ ट्रेस (रैखिक बीजगणित) है। इस प्रकार शुद्धता क्वांटम अवस्थाओं पर एक माप को परिभाषित करती है, जो यह जानकारी देती है कि कोई अवस्था कितनी मिश्रित क्वांटम अवस्था है।

गणितीय गुण
सामान्यीकृत क्वांटम अवस्था की शुद्धता संतुष्ट करती है $$\frac1d \leq \gamma \leq 1 \,$$, जिस जगह $$d $$ हिल्बर्ट स्थान का आयाम है जिस पर अवस्था को परिभाषित किया गया है। ऊपरी सीमा किसके द्वारा प्राप्त की जाती है? $$\operatorname{tr}(\rho) = 1 \,$$और $$\operatorname{tr}(\rho^2) \leq \operatorname{tr}(\rho) \,$$(ट्रेस (रैखिक बीजगणित) देखें)।

यदि $$\rho \,$$ एक प्रक्षेपण है, जो शुद्ध अवस्था को परिभाषित करता है, फिर ऊपरी सीमा संतृप्त होती है: $$\operatorname{tr}(\rho^2)= \operatorname{tr}(\rho)=1 \,$$ (प्रक्षेपण (रैखिक बीजगणित) देखें)। इस प्रकार निचली सीमा पूरी तरह से मिश्रित अवस्था द्वारा प्राप्त की जाती है, जिसे आव्युह द्वारा दर्शाया जाता है $$\frac1d I_d \,$$.

क्वांटम अवस्था की शुद्धता को घनत्व आव्युह पर कार्य करने वाले एकात्मक आव्युह परिवर्तनों के अनुसार संरक्षित किया जाता है $$\rho \mapsto U\rho U^\dagger \,$$, जिस जगह $U$ एक एकात्मक आव्युह है. विशेष रूप से, इसे हाइजेनबर्ग चित्र के अंतर्गत संरक्षित किया गया है $$U(t,t_0)= e^{\frac{-i}{\hbar}H(t-t_0)} \,$$, जिस जगह $H$ हैमिल्टनियन (क्वांटम यांत्रिकी) ऑपरेटर है।

भौतिक अर्थ
एक शुद्ध क्वांटम अवस्था को एकल सदिश के रूप में दर्शाया जा सकता है $$| \psi \rangle $$ हिल्बर्ट क्षेत्र में. घनत्व आव्युह सूत्रीकरण में, एक शुद्ध अवस्था को आव्युह द्वारा दर्शाया जाता है $$\rho_\text{pure} =| \psi \rangle\langle \psi | .$$ चूँकि, एक मिश्रित अवस्था को इस तरह प्रदर्शित नहीं किया जा सकता है, और इसके अतिरिक्त शुद्ध अवस्थाओं के उत्तल संयोजन द्वारा दर्शाया जाता है $$\rho_\text{mixed} = \sum_i p_i| \psi_i \rangle\langle \psi_i |, $$ जबकि $\sum_i p_i = 1 $ सामान्यीकरण के लिए. शुद्धता पैरामीटर गुणांकों से संबंधित है: यदि केवल एक गुणांक 1 के सामान्तर है, तब स्थिति शुद्ध है। वास्तव में, जब अवस्था पूरी तरह से मिश्रित हो जाती है, तो शुद्धता $1/d$ होती है, अर्थात। $$\rho_\text{completely mixed} = \frac1d \sum_{i=1}^d | \psi_i \rangle\langle \psi_i | = \frac 1 d I_d ,$$ जिस जगह $$| \psi_i \rangle $$ हैं $d$ ऑर्थोनॉर्मल सदिश जो हिल्बर्ट स्पेस का आधार बनाते हैं।

ज्यामितीय प्रतिनिधित्व
बलोच क्षेत्र पर, शुद्ध अवस्थाओं को गोले की सतह पर एक बिंदु द्वारा दर्शाया जाता है, जबकि मिश्रित अवस्थाओं को एक आंतरिक बिंदु द्वारा दर्शाया जाता है। इस प्रकार, किसी अवस्था की शुद्धता की कल्पना उस डिग्री के रूप में की जा सकती है जिस सीमा तक बिंदु गोले की सतह के पास में है।

उदाहरण के लिए, एकल क्वाइट की पूर्णतः मिश्रित अवस्था $\frac 1 2 I_2 \,$ गोले के केंद्र द्वारा, समरूपता द्वारा दर्शाया जाता है।

घनत्व आव्युह और बलोच क्षेत्र के मध्य संबंध को देखकर शुद्धता का ग्राफिकल अंतर्ज्ञान प्राप्त किया जा सकता है, $$\rho = \tfrac{1}{2}\left(I + \mathbf{a} \cdot \boldsymbol{\sigma} \right),$$ जिस जगह $$\mathbf{a}$$ सदिश क्वांटम स्थिति (गोले पर या उसके अंदर) का प्रतिनिधित्व करता है, और $$\boldsymbol\sigma = (\sigma_x, \sigma_y , \sigma_z )$$ पॉल के आव्युह का सदिश है।

चूँकि पाउली मैट्रिस ट्रेसलेस हैं, यह अभी भी कायम है $tr(ρ) = 1$. चूँकि, के गुण से $$\left(\mathbf{a} \cdot \boldsymbol{\sigma}\right) \left(\mathbf{b} \cdot \boldsymbol{\sigma}\right) = \left(\mathbf{a} \cdot \mathbf{b}\right) \, I + i \left( \mathbf{a} \times \mathbf{b} \right) \cdot \boldsymbol{\sigma},$$ $$\rho^2 = \tfrac{1}{2} \left[\tfrac{1}{2} \left(1 + |a|^2 \right) I + \mathbf{a} \cdot \boldsymbol{\sigma}\right],$$ इस तरह $\operatorname{tr}(\rho^2) = \frac{1}{2} (1 + |a|^2),$

जो इस तथ्य से सहमत है कि केवल गोले की सतह पर स्थितियाँ ही शुद्ध हैं (अर्थात् $$|a|=1$$).

रेखीय एन्ट्रापी
शुद्धता का रैखिक एन्ट्रापी से साधारण संबंध है $$S_L \,$$ द्वारा एक अवस्था का

$$\gamma = 1-S_L \, .$$ रैखिक एन्ट्रॉपी वॉन न्यूमैन एन्ट्रापी एस का निचला सन्निकटन है, जिसे इस प्रकार परिभाषित किया गया है

$$S \, \dot= \, -\operatorname{tr}(\rho \ln \rho) = -\langle \ln \rho \rangle \, .$$ तब रैखिक एन्ट्रापी विस्तार द्वारा प्राप्त की जाती है $ln ρ = ln (1−(1−ρ))$, एक शुद्ध अवस्था के आसपास, $ρ^{2} = ρ$; अर्थात्, गैर-ऋणात्मक आव्युह के संदर्भ में विस्तार करना $1−ρ$ लघुगणक के लिए औपचारिक मर्केटर श्रृंखला में, $$ - \langle \ln \rho \rangle =  \langle 1- \rho  \rangle  + \frac 1 2 \langle (1- \rho )^2 \rangle + \frac 1 3 \langle (1- \rho)^3  \rangle  + \cdots,$$ और केवल अग्रणी पद को निरंतर रखना। रैखिक और वॉन न्यूमैन एन्ट्रॉपी दोनों एक अवस्था के मिश्रण की डिग्री को मापते हैं, चूंकि रैखिक एन्ट्रॉपी की गणना करना आसान है, क्योंकि इसमें घनत्व आव्युह के विकर्ण आव्युह की आवश्यकता नहीं होती है। कुछ लेखक भिन्न सामान्यीकरण के साथ रैखिक एन्ट्रापी को परिभाषित करें $$S_L \, \dot= \, \tfrac{d}{d-1} (1 - \operatorname{tr}(\rho^2) ) \, ,$$ जो यह सुनिश्चित करता है कि मात्रा शून्य से इकाई तक हो।

उलझाव
2-क्विबिट शुद्ध अवस्था $$|\psi\rangle_{AB} \in H_A\otimes H_B$$ (श्मिट अपघटन का प्रयोग करके) इस प्रकार लिखा जा सकता है $|\psi \rangle _{AB} = \sum_j \lambda_j|j\rangle _A|j\rangle _B $, जिस जगह $$\{|j\rangle _A\},\{|j\rangle _B\} $$ के आधार हैं $$H_A,H_B$$ क्रमशः, और $\sum_j \lambda_j^2=1, \lambda_j\geq 0 $. इसका घनत्व आव्युह है $\rho^{AB} = \sum_{i,j} \lambda_i\lambda_j|i\rangle _A \langle j| _A\otimes |i\rangle_B \langle j| _B $. यह जिस सीमा तक उलझा हुआ है वह इसके उप-प्रणालियों की स्थिति की शुद्धता से संबंधित है, $\rho^A = \operatorname{tr}_B(\rho_{AB}) = \sum_{j} \lambda_j^2 |j \rangle_A \langle j |_A $, और इसी तरह के लिए $$\rho^B $$ (क्वांटम ऑपरेशन के रूप में आंशिक ट्रेस आंशिक ट्रेस देखें)। इस प्रकार यदि यह प्रारंभिक अवस्था वियोज्य है (अर्थात् केवल एक ही है $$\lambda_j \neq 0$$), तब $$\rho^A ,\rho ^{B} $$ दोनों शुद्ध हैं. अन्यथा, यह अवस्था उलझा हुआ है और $$\rho^A ,\rho ^{B} $$ दोनों मिश्रित हैं. उदाहरण के लिए, यदि $|\psi \rangle_{AB} =|\Phi^+\rangle = \frac{1}{\sqrt{2}} (|0\rangle_A \otimes |0\rangle_B + |1\rangle_A \otimes |1\rangle_B)$ जो कि अधिकतम अस्पष्ट हुई स्थिति है $$\rho^A ,\rho ^{B} $$ दोनों पूरी तरह मिश्रित हैं.

2-क्विबिट्स (शुद्ध या मिश्रित) अवस्थाओं के लिए, श्मिट अपघटन श्मिट रैंक और उलझाव (श्मिट गुणांक की संख्या) अधिकतम 2 है। इसका उपयोग करते हुए और पेरेस-होरोडेकी मानदंड (2-क्विबिट्स के लिए), एक अवस्था उलझा हुआ है यदि इसकी आंशिक स्थानान्तरण में कम से कम एक ऋणात्मक आइगेनवैल्यू है। इस प्रकार ऊपर से श्मिट गुणांक का उपयोग करते हुए, ऋणात्मक आइगेनवैल्यू है $$-\lambda_0 \lambda_1 $$. ऋणात्मकता (क्वांटम यांत्रिकी) $$\mathcal{N}=-\lambda_0 \lambda_1 $$ इस आइगेनवैल्यू का उपयोग उलझाव के माप के रूप में भी किया जाता है - अवस्था अधिक उलझा हुआ है क्योंकि यह आइगेनवैल्यू अधिक ऋणात्मक (तक) है $-\frac 1 2 $  बेल अवस्थाओं के लिए)। सबप्रणाली की स्थिति के लिए $$A $$ (इसी प्रकार के लिए $$B $$), यह मानता है कि: $$\rho^A = \operatorname{tr}_B(|\psi\rangle _{AB}\langle \psi |_{AB} )=\lambda_0^2|0\rangle_A \langle 0 | _A +  \lambda_1^2|1 \rangle_A \langle 1 | _A $$ और पवित्रता है $$\gamma = \lambda_0^4+\lambda_1^4 = (\lambda_0^2+\lambda_1^2)^2 - 2(\lambda_0 \lambda_1 )^2 = 1-2\mathcal{N}^2 $$.

कोई यह देख सकता है कि समग्र अवस्था जितनी अधिक अस्पष्ट हुई (अर्थात् अधिक ऋणात्मक) होगी, उपप्रणाली अवस्था उतनी ही कम शुद्ध होगी।

व्युत्क्रम भागीदारी अनुपात (आईपीआर)
स्थानीयकरण के संदर्भ में, शुद्धता से निकटता से संबंधित मात्रा, तथाकथित व्युत्क्रम भागीदारी अनुपात (आईपीआर) उपयोगी सिद्ध होता है। इस प्रकार इसे किसी स्थान में घनत्व के वर्ग पर अभिन्न (या परिमित प्रणाली आकार के लिए योग) के रूप में परिभाषित किया गया है, उदाहरण के लिए, वास्तविक स्थान, स्थिति और गति स्थान, या यहां तक ​​कि चरण स्थान, जहां घनत्व वास्तविक स्थान का वर्ग होगा तरंग क्रिया $$|\psi(x)|^2$$, संवेग अंतरिक्ष तरंग फलन का वर्ग $$|\tilde{\psi}(k)|^2$$, या कुछ चरण स्थान घनत्व जैसे हुसिमी क्यू प्रतिनिधित्व, क्रमशः।

आईपीआर का सबसे छोटा मूल्य पूरी तरह से स्थानीयकृत स्थिति से मेल खाता है, $$\psi(x)=1/\sqrt{N}$$ आकार की एक प्रणाली के लिए $$N$$, जहां आईपीआर उपज देता है $\sum_x |\psi(x)|^4=N/(N^{1/2})^4=1/N$. 1 के पास में आईपीआर का मान स्थानीयकृत अवस्थाओं (सादृश्य में शुद्ध अवस्था ) के अनुरूप है, जैसा कि पूरी तरह से स्थानीयकृत अवस्था के साथ देखा जा सकता है $$\psi(x)=\delta_{x,x_0}$$, जहां आईपीआर उपज देता है $\sum_x |\psi(x)|^4=1$. एक आयाम में आईपीआर स्थानीयकरण की लंबाई के व्युत्क्रम के सीधे आनुपातिक है, अर्थात, उस क्षेत्र का आकार जिस पर एक अवस्था स्थानीयकृत है। संघनित पदार्थ भौतिकी के ढांचे में स्थानीयकृत और डेलोकलाइज्ड (विस्तारित) अवस्थाएं क्रमशः इन्सुलेटर (बिजली) और धात्विक अवस्थाओं के अनुरूप होती हैं, यदि कोई जाली पर एक इलेक्ट्रॉन की कल्पना करता है जो क्रिस्टल में स्थानांतरित होने में सक्षम नहीं है (स्थानीयकृत तरंग वेरिएबल, आईपीआर है) एक के पास में ) या स्थानांतरित करने में सक्षम होना (विस्तारित स्थिति, आईपीआर शून्य के पास में है)।

स्थानीयकरण के संदर्भ में, तरंग वेरिएबल को जानना अधिकांशतः आवश्यक नहीं होता है; स्थानीयकरण गुणों को जानना अधिकांशतः पर्याप्त होता है। यही कारण है कि आईपीआर इस संदर्भ में उपयोगी है। आईपीआर मूल रूप से एक क्वांटम प्रणाली (तरंग वेरिएबल; के लिए) के बारे में पूरी जानकारी लेता है $$N$$-डायमेंशनल हिल्बर्ट स्पेस को स्टोर करना होगा $$N$$ मान, तरंग वेरिएबल के घटक) और इसे एक एकल संख्या में संपीड़ित करता है जिसमें तब केवल अवस्था के स्थानीयकरण गुणों के बारे में कुछ जानकारी होती है। इस प्रकार यदि पूरी तरह से स्थानीयकृत और पूरी तरह से स्थानीयकृत स्थिति के यह दो उदाहरण केवल वास्तविक अंतरिक्ष तरंग वेरिएबल के लिए और वास्तविक अंतरिक्ष आईपीआर के लिए दिखाए गए थे, कोई भी स्पष्ट रूप से इस विचार को गति स्थान और यहां तक ​​कि चरण स्थान तक विस्तारित कर सकता है; आईपीआर तब विचाराधीन स्थान में स्थानीयकरण के बारे में कुछ जानकारी देता है, उदाहरण के लिए। एक समतल तरंग को वास्तविक अंतरिक्ष में दृढ़ता से स्थानीयकृत किया जाएगा, किन्तु इसका फूरियर रूपांतरण तब दृढ़ता से स्थानीयकृत होता है, इसलिए यहां वास्तविक अंतरिक्ष आईपीआर शून्य के पास में होगा और संवेग अंतरिक्ष आईपीआर एक के पास में होगा।