Dichtematrix
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In der Physik beschreibt die Dichtematrix bzw. der Dichteoperator (auch statistische Matrix bzw. statistischer Operator) für ein Ensemble gleichartiger Systeme, mit welcher Wahrscheinlichkeit sich ein herausgegriffenes System in einem bestimmten Zustand befindet.
Der Dichteoperator wurde ursprünglich im Rahmen der klassischen Physik von Stokes für den Polarisationszustand eines Lichtstrahls entwickelt (Stokes-Parameter). Im folgenden wird der Dichteoperator im Zusammenhang mit Systemen in quantenmechanisch definierten Zuständen dargestellt.
Konstruktion
In dem betrachteten Ensemble befinden sich mehrere gleichartige Systeme mit den Wahrscheinlichkeiten
Darin ist
der Projektionsoperator, der angewandt auf einen beliebigen Zustandsvektor Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): |\Phi\rangle
dessen Komponente „parallel“ zum Zustand
Der Faktor
Mit Hilfe der Projektionsoperatoren lässt sich der Dichteoperator auch schreiben als
Für ein Ensemble, in dem alle Systeme im selben Zustand
Messwerte
Für jeden einzelnen Bestandteil
Da das Ensemble ein Gemisch von Systemen in den verschiedenen beteiligten Zuständen
Dies ist gleich der Spur
wie man mit Hilfe eines vollständigen Systems von orthonormierten Basisvektoren
Sind die
Darin ist Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): P_k = \sum_{i} p_i\;|\langle\varphi_k| \psi_i\rangle|^2 \
das über das Ensemble gewichtete Mittel für die Wahrscheinlichkeit, ein herausgegriffenes System im Eigenzustand Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): |\varphi_k\rangle
anzutreffen.
Beispiel: Dichteoperator und Dichtematrix für Elektronen-Polarisation
Die Dichtematrix ist die Matrix, mit der der Operator
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Basiszustände
Die Zustände „Spin auf“ (bezgl. z-Achse)
Dies sind auch die Dichtematrizen für vollständig in
Polarisation in z-Richtung
Die z-Komponente des Spins hat die aus den Eigenwerten gebildete Diagonalmatrix
Für das Ensemble
Andere Polarisionsrichtung
Die Zustände von in
Unpolarisiertes Ensemble
Sind die Elektronen je zur Hälfte in
- Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): \hat \rho = \tfrac{1}{2} \bigl(
\bigr)\ + \tfrac{1}{2} \bigl( \bigr) = \bigl( \bigr)= \tfrac{1}{2} \cdot \hat 1
Die gleiche Dichtematrix ergibt sich für ein Gemisch aus Elektronen, die zu je 50 % in
Gemisch verschiedener Polarisationsrichtungen
Für ein Gemisch aus Elektronen mit Spin in Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): +z
-Richtung und
Der Erwartungswert des Spins in
Die in (
Formale Definition
Gegeben sei ein quantenmechanisches System, das auf einem Hilbertraum
- er ist positiv semidefinit,
- er ist Spurklasse mit Spur gleich 1.
Obwohl die Begriffe Dichtematrix und Dichteoperator oft synonym gebraucht werden, besteht ein mathematischer Unterschied. Genau wie in der linearen Algebra eine Matrix die Basisdarstellung eines linearen Operators ist, kann in der Quantenmechanik zwischen abstraktem Dichteoperator und einer konkreten Dichtematrix in einer bestimmten Darstellung unterschieden werden. Ist
- Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): \rho(x,y)= \langle x|\hat \rho|y\rangle
die Dichtematrix in Ortsdarstellung. Sie ist allerdings keine echte Matrix, da die Ortsdarstellung über ein Kontinuum von uneigentlichen Basisvektoren
In endlichdimensionalen Hilberträumen (z. B. bei Spinsystemen) ergibt sich dagegen dann eine positiv semidefinite Matrix mit Spur 1, also eine echte Dichtematrix, wenn eine Orthonormalbasis
.
Eigenschaften
- Jeder Dichteoperator ist selbstadjungiert (oder hermitesch), da positive Operatoren immer selbstadjungiert sind.
- Die Menge aller Dichteoperatoren ist eine konvexe Menge, deren Rand die Menge der reinen (quantenmechanischen) Zustände ist. Die Menge ist im Gegensatz zu klassischen Theorien kein Simplex, d. h. ein Dichteoperator ist im Allgemeinen nicht eindeutig als Konvexkombination von reinen Zuständen darstellbar.
- Die Wahrscheinlichkeit, bei der Messung einer Observablen
an einem System, das durch den Dichteoperator beschrieben wird, den Messwert zu erhalten, ist gegeben durch
- Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): p_a = \sum_i\left\langle a_i\right|\hat \rho \left|a_i\right\rangle=\mbox{Tr}(\hat \mathbb{P}_a \hat \rho),
- wobei
die orthonormierten Eigenvektoren zum Eigenwert sind und die Projektion auf den entsprechenden Eigenraum ist.
- Der Mittelwert der Messwerte (Erwartungswert) bei Messung einer Observablen
ist
Dichtematrix für reine Zustände
Ist das betrachtete Ensemble ein reines Ensemble, besteht das System also nur aus einem reinen Zustand, so gilt für die Dichtematrix
Für gemischte Zustände gilt stets
Dichtematrix für ein gleichverteiltes Ensemble
Ein
wobei
Zeitentwicklung
Aus der Schrödingergleichung, die die Zeitentwicklung (Dynamik) reiner Quantenzustände beschreibt, kann man unmittelbar die Zeitentwicklung gemischter Zustände ableiten. Dazu benutzt man eine beliebige Zerlegung der Dichtematrix in reine Zustände, deren Dynamik der Schrödinger-Gleichung genügt, und berechnet daraus die Dynamik des gemischten Zustandes zu
wobei
Diese Differentialgleichung kann man für zeitunabhängige Hamilton-Operatoren integrieren und erhält mit dem unitären Zeitentwicklungs-Operator Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): \hat U(t) = e^{-i H t/\hbar} die Gleichung
- Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): \hat \rho(t)=\hat U(t)\;\hat \rho(0)\;\hat U^\dagger(t)\ .
Bemerkenswert ist hierbei, dass für den Operator
Entropie
Mit Hilfe der Dichtematrix
wobei
Die Entropie jedes reinen Zustands ist Null, da die Eigenwerte der Dichtematrix Null und Eins sind. Dies stimmt mit der heuristischen Argumentation überein, dass keine Unsicherheit über die Präparation des Zustandes herrscht.
Man kann zeigen, dass auf einen Zustand angewendete unitäre Operatoren (wie der aus der Schrödinger-Gleichung gewonnene Zeitentwicklungs-Operator) die Entropie des Systems nicht ändern. Das verbindet die Reversibilität eines Prozesses mit seiner Entropieänderung - ein fundamentales Ergebnis, das die Quantenmechanik mit der Informationstheorie und der Thermodynamik verbindet.