Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

В квантовой вероятности , то уравнение Белавкина , также известное как уравнение Шредингера-Белавкина , квантовую фильтрацию уравнение , стохастическое управляющее уравнение , представляет собой квантовое стохастический дифференциальное уравнение , описывающая динамику квантовой системы , подвергающееся наблюдение в непрерывное время. Он был выведен и в дальнейшем изучен Вячеславом Белавкиным в 1988 году. [1] [2] [3]

Обзор [ править ]

В отличии от уравнения Шредингера , которое описывает детерминированную эволюцию волновой функции замкнутой системы (без взаимодействия), то уравнение Белавкина описывает стохастическую эволюцию случайной волновой функции в качестве открытой квантовой системы , взаимодействующей с наблюдателем:

Здесь - самосопряженный оператор (или вектор-столбец операторов) системы, связанной с внешним полем, - это гамильтониан, - мнимая единица, - постоянная Планка и - стохастический процесс, представляющий шум измерения, который равен мартингал с независимыми приращениями относительно входной вероятностной меры . Обратите внимание, что этот шум имеет зависимые приращения относительно меры вероятности выхода, представляющей процесс нововведения на выходе (наблюдение). Для уравнение становится стандартным уравнением Шредингера .

Стохастический процесс может быть смесью двух основных типов: пуассоновского (или скачкообразного ) типа , где - пуассоновский процесс, соответствующий подсчету наблюдения, и броуновского (или диффузионного ) типа , где - стандартный винеровский процесс, соответствующий непрерывному наблюдению. Уравнения диффузионного типа могут быть получены как центральный предел уравнений типа скачка с ожидаемой скоростью скачков, возрастающей до бесконечности.

Случайная волновая функция нормализуется только в среднеквадратическом смысле , но, как правило, не может быть нормализована для каждого . Нормализация для каждого дает случайный апостериорный вектор состояния , эволюция которого описывается апостериорным уравнением Белавкина, которое является нелинейным, поскольку операторы и зависят от из-за нормализации. Стохастический процесс в апостериорном уравнении имеет независимые приращения относительно меры выходной вероятности , но не относительно входной меры. Белавкин также вывел линейное уравнение для ненормированного оператора плотности и соответствующее нелинейное уравнение для нормированного случайного оператора апостериорной плотности . Для двух типов шума измерения это дает восемь основных квантовых стохастических дифференциальных уравнений. Общие формы уравнений включают все типы шума и их представления в пространстве Фока . [4] [5]

Нелинейное уравнение, описывающее наблюдение положения свободной частицы, которое является частным случаем апостериорного уравнения Белавкина диффузионного типа, также было получено Диози [6] и появилось в работах Гизина, [7] Жирарди, Пирла и Римини [8], хотя и с другой мотивацией или интерпретацией. Подобные нелинейные уравнения для операторов апостериорной плотности были постулированы (хотя и без вывода) в квантовой оптике и теории квантовых траекторий [9], где они называются стохастическими основными уравнениями . Усреднение уравнений для операторов случайной плотности по всем случайным траекториям приводит к уравнению Линдблада, [10] что является детерминированным.

Нелинейные уравнения Белавкина для апостериорных состояний играют ту же роль, что и уравнение Стратоновича – Кушнера в классической вероятности, а линейные уравнения соответствуют уравнению Закая . [11] Уравнения Белавкина описывают декогеренцию в непрерывном времени исходного чистого состояния в смешанное апостериорное состояние, давая строгое описание динамики коллапса волновой функции в результате наблюдения или измерения. [12] [13] [14]

Измерение без разрушения и квантовая фильтрация [ править ]

Некоммутативность представляет собой серьезную проблему для вероятностной интерпретации квантовых стохастических дифференциальных уравнений из-за отсутствия условных ожиданий для общих пар квантовых наблюдаемых. Белавкин решил эту проблему, обнаружив связь неопределенности ошибки и возмущения и сформулировав принцип неразрушимости квантового измерения. [13] [15] В частности, если случайный процесс соответствует ошибке (белый шум в диффузном случае) зашумленного наблюдения оператора с коэффициентом точности , то косвенное наблюдение возмущает динамику системы стохастической силой , называемая силой Ланжевена, который представляет собой еще один белый шум интенсивности , который не коммутирует с ошибкой . Результатом такого возмущения является то, что выходной процесс коммутативен и, следовательно, соответствует классическому наблюдению, в то время как системные операторы удовлетворяют условию неразрушения: все будущие наблюдаемые должны коммутировать с прошлыми наблюдениями (но не с будущими наблюдениями) : для всех (но не ). Обратите внимание, что коммутация with и другого оператора с не подразумевает куммутации с, так что алгебра будущих наблюдаемых остается некоммутативной. Условие неразрушимости необходимо и достаточно для существования условных ожиданий , что делает возможной квантовую фильтрацию. [16]

Уравнения апостериорного состояния [ править ]

Подсчет наблюдений [ править ]

Позвольте быть пуассоновским процессом с прямым приращением почти всюду и в противном случае и обладающим свойством . Ожидаемое количество событий , где - ожидаемая скорость прыжков. Затем замена случайного процесса дает линейное уравнение Белавкина для ненормированной случайной волновой функции, находящейся под наблюдением счета. Подставив , где - оператор коллапса, и , где - оператор энергии, это уравнение можно записать в следующем виде

Нормализованная волновая функция называется апостериорным вектором состояния , эволюция которого описывается следующим нелинейным уравнением

где есть ожидание . Апостериорное уравнение можно записать в стандартной форме

с , и . Соответствующие уравнения для ненормализованного оператора случайной плотности и для нормированного оператора случайной апостериорной плотности следующие:

где . Обратите внимание, что последнее уравнение нелинейно.

Непрерывное наблюдение [ править ]

Стохастический процесс , определенный в предыдущем разделе, имеет прямые приращения , которые имеют тенденцию к как . Таким образом, становится стандартным винеровский процесс относительно входной вероятностной меры. Подставляя для дает линейное уравнение для Белавкина ненормированного случайной волновой функции , подвергающегося непрерывное наблюдение. Выходной процесс постепенно превращается в процесс распространения инноваций . Нелинейное уравнение Белавкина диффузионного типа для апостериорного вектора состояния имеет вид

с и . Соответствующие уравнения для ненормализованного оператора случайной плотности и для нормированного оператора случайной апостериорной плотности следующие:

где . Второе уравнение нелинейно из-за нормировки. Поскольку усреднение этих стохастических уравнений по всем приводит к уравнению Линдблада

Пример: непрерывное наблюдение за положением свободной частицы [ править ]

Рассмотрим свободную частицу массы . В позиции и импульс Наблюдаемые соответствуют соответственно операторам умножения на и . Сделав следующие замены в уравнении Белавкина

апостериорное стохастическое уравнение становится

где - апостериорное ожидание . Это уравнение, мотивированное теорией спонтанного коллапса, а не теорией фильтрации, было также получено Диози [17], показывающим, что шум измерения является приращением стандартного винеровского процесса . У этого уравнения есть решения в замкнутой форме [18], а также уравнения для частицы в линейном или квадратичном потенциалах. [1] [3] [19] Для гауссовского начального состояния эти решения соответствуют оптимальному квантовому линейному фильтру. [15] Решения уравнения Белавкина показывают, что в пределе волновая функция имеет конечную дисперсию,[20], таким образом, разрешая квантовый эффект Зенона . [11]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Б Белавкина, В. П. (1988). «Неразрушающие измерения, нелинейная фильтрация и динамическое программирование квантовых случайных процессов». В А. Блакьер (ред.). Материалы семинара Bellmann Continuum "Моделирование и управление системами". Конспект лекций в области управления и информатики. 121 . София-Антиполис: Спрингер-Верлаг. С. 245–265.
  2. ^ Белавкина, В. П. (1989). «Наблюдение с непрерывным счетом и апостериорная квантовая динамика». J Phys . 22 (23): L1109 – L1114. Bibcode : 1989JPhA ... 22L1109B . DOI : 10.1088 / 0305-4470 / 22/23/006 .
  3. ^ Б Белавкина, В. П. (1989). «Новое волновое уравнение для непрерывного неразрушающего измерения». Физика Буквы A . 140 (7–8): 355–358. arXiv : квант-ph / 0512136 . Bibcode : 1989PhLA..140..355B . DOI : 10.1016 / 0375-9601 (89) 90066-2 . S2CID 6083856 . 
  4. ^ Белавкина, В. П. (1995). «О стохастических генераторах вполне положительных коциклов». Russ Journ of Math Phys . 3 (4): 523–528.
  5. ^ Белавкина, В. П. (1997). «Квантовая стохастическая положительная эволюция: характеристика, построение, расширение». Commun. Математика. Phys . 184 (3): 533–566. arXiv : math-ph / 0512042 . Bibcode : 1997CMaPh.184..533B . DOI : 10.1007 / s002200050072 . S2CID 17593922 . 
  6. ^ Di'osi, L. (1989). «Модели универсального уменьшения макроскопических квантовых флуктуаций». Physical Review . 40 (3): 1165–1174. Bibcode : 1989PhRvA..40.1165D . DOI : 10.1103 / PhysRevA.40.1165 . PMID 9902248 . 
  7. ^ Гизина, N. (1989). «Стохастическая квантовая динамика и теория относительности». Helvetica Physica Acta . 62 : 363–371.
  8. ^ Гирарди, GC; Pearle, P .; Римини, А. (1990). «Марковские процессы в гильбертовом пространстве и непрерывная спонтанная локализация систем одинаковых частиц». Phys. Rev. A . 42 (1): 78–89. Bibcode : 1990PhRvA..42 ... 78G . DOI : 10.1103 / PhysRevA.42.78 . PMID 9903779 . 
  9. ^ Кармайкл, HJ (1993). Подход открытых систем к квантовой оптике . Springer-Verlag.
  10. ^ Смолянов, О .; Трумэн, А. (1999). «Уравнения Шредингера-Белавкина и связанные с ними уравнения Колмогорова и Линдблада». Теоретическая и математическая физика . 120 (2): 973–984. Bibcode : 1999TMP ... 120..973S . DOI : 10.1007 / BF02557405 . S2CID 121436901 . 
  11. ^ a b Холево, А.С. (1991), Прохоров, Ю.В. (ред.), Квантовая вероятность и квантовая статистика , Итоги науки и техники, 83 , ВИНИТИ, стр. 5–132.
  12. ^ Белавкин, В. П. (1990), Трумэн, А .; Дэвис, И.М. (ред.), Квантовая апостериорная стохастика и спонтанный коллапс , World Scientific, стр. 40–68.
  13. ^ а б Белавкин В.П. (1992). «Квантовые континуальные измерения и апостериорный коллапс на CCR». Comm. Математика. Phys . 146 (3): 611–635. arXiv : math-ph / 0512070 . Bibcode : 1992CMaPh.146..611B . DOI : 10.1007 / BF02097018 . S2CID 17016809 . 
  14. ^ Белавкин, ВП; Melsheimer, О. (1995), "гамильтонов решение квантового коллапса, состояния диффузии и спонтанной локализации", Квант связи и измерение ., Plenum Издательство, стр 201-222, DOI : 10.1007 / 978-1-4899-1391-3_20 , ISBN 978-1-4899-1393-7
  15. ^ Б Белавкина, В. П. (1980). «Оптимальная фильтрация марковских сигналов с помощью квантового белого шума». Radio Eng Электронная физика . 25 : 1445–1453. arXiv : квант-ph / 0512091 . DOI : 10.1007 / 978-1-4899-1391-3_37 . S2CID 15021588 . 
  16. ^ Бутен, L .; van Handel, R .; Джеймс, MR (2009). «Дискретное приглашение к квантовой фильтрации и управлению с обратной связью». SIAM Обзор . 51 (2): 239–316. arXiv : math / 0606118 . Bibcode : 2009SIAMR..51..239B . DOI : 10.1137 / 060671504 . S2CID 10435983 . 
  17. ^ Diosi, Л. (1988). «Непрерывное квантовое измерение и формализм Ито». Phys Lett . 129 (8–9): 419–423. arXiv : 1812.11591 . Bibcode : 1988PhLA..129..419D . DOI : 10.1016 / 0375-9601 (88) 90309-X . S2CID 118831121 . 
  18. ^ Diosi, Л. (1988). «Локализованное решение простого нелинейного квантового уравнения Ланжевена». Phys Lett . 132 (5): 233–236. Bibcode : 1988PhLA..132..233D . DOI : 10.1016 / 0375-9601 (88) 90555-5 .
  19. ^ Белавкин, ВП; Сташевский, П. (1992). «Наблюдение без разрушения свободной квантовой частицы». Phys Rev A . 45 (3): 1347–1357. arXiv : квант-ph / 0512138 . Bibcode : 1992PhRvA..45.1347B . DOI : 10.1103 / PhysRevA.45.1347 . PMID 9907114 . S2CID 14637898 .  
  20. ^ Kolokol'tsov1, В. Н. (1995). «Теория рассеяния для уравнения Белавкина, описывающего квантовую частицу с непрерывно наблюдаемой координатой». Журнал математической физики . 36 (6): 2741–2760. Bibcode : 1995JMP .... 36.2741K . DOI : 10.1063 / 1.531063 .