Matemáticamente, cada sistema mecánico cuántico está asociado con un espacio de Hilbert complejo separable . Un estado puro de un sistema cuántico está representado por un vector distinto de cero en . Como los vectores y (con ) representan el mismo estado, el nivel del sistema cuántico corresponde a la dimensión del espacio de Hilbert y los estados puros pueden representarse como clases de equivalencia o rayos en un espacio de Hilbert proyectivo . [2] Para un espacio de Hilbert bidimensional, el espacio de todos esos estados es la línea proyectiva compleja Esta es la esfera de Bloch, que puede mapearse a la esfera de Riemann .
La esfera de Bloch es una unidad 2-esfera , con puntos antípodas correspondientes a un par de vectores de estado mutuamente ortogonales. Los polos norte y sur de la esfera de Bloch se eligen típicamente para corresponder a los vectores de base estándar y , respectivamente, que a su vez podrían corresponder, por ejemplo, a los estados de espín hacia arriba y hacia abajo de un electrón. Sin embargo, esta elección es arbitraria. Los puntos en la superficie de la esfera corresponden a los estados puros del sistema, mientras que los puntos interiores corresponden a los estados mixtos . [3] [4] La esfera de Bloch se puede generalizar a un sistema cuántico de nivel n , pero entonces la visualización es menos útil.
La métrica natural de la esfera de Bloch es la métrica de Fubini-Study . La aplicación de la esfera tridimensional unitaria en el espacio de estados bidimensional a la esfera de Bloch es la fibración de Hopf , en la que cada rayo de espinores se asigna a un punto de la esfera de Bloch.
Definición
Dada una base ortonormal, cualquier estado puro de un sistema cuántico de dos niveles puede escribirse como una superposición de los vectores base y , donde el coeficiente de (o la contribución de) cada uno de los dos vectores base es un número complejo . Esto significa que el estado se describe mediante cuatro números reales. Sin embargo, solo la fase relativa entre los coeficientes de los dos vectores base tiene algún significado físico (la fase del sistema cuántico no es directamente medible ), de modo que hay redundancia en esta descripción. Podemos tomar el coeficiente de como real y no negativo. Esto permite que el estado se describa mediante solo tres números reales, lo que da lugar a las tres dimensiones de la esfera de Bloch.
También sabemos por la mecánica cuántica que la probabilidad total del sistema tiene que ser uno:
, o equivalentemente .
Dada esta restricción, podemos escribir utilizando la siguiente representación:
, donde y .
La representación es siempre única, porque, aunque el valor de no es único cuando es uno de los estados (ver notación Bra-ket ) o , el punto representado por y es único.
Los parámetros y , reinterpretados en coordenadas esféricas como respectivamente la latitud con respecto al eje z y la longitud con respecto al eje x , especifican un punto
Este vector es el que indica el punto dentro de la esfera que corresponde a un estado mixto dado. En concreto, como característica básica del vector de Pauli , los valores propios de ρ son . Los operadores de densidad deben ser semidefinidos positivos, por lo que se deduce que .
Para los estados puros, se tiene entonces
en consonancia con lo anterior. [5]
En consecuencia, la superficie de la esfera de Bloch representa todos los estados puros de un sistema cuántico bidimensional, mientras que el interior corresponde a todos los estados mixtos.
tú,en,elrepresentación
El vector de Bloch se puede representar de la siguiente manera, con referencia al operador de densidad : [6]
dónde
Esta base se utiliza a menudo en la teoría del láser , donde se conoce como inversión de población . [7] En esta base, los números son las expectativas de las tres matrices de Pauli , lo que permite identificar las tres coordenadas con los ejes xy y z.
Estados puros
Consideremos un sistema mecánico cuántico de n niveles. Este sistema se describe mediante un espacio de Hilbert de n dimensiones H n . El espacio de estados puros es, por definición, el conjunto de rayos de H n .
Teorema . Sea U( n ) el grupo de Lie de matrices unitarias de tamaño n . Entonces el espacio de estados puros de H n puede identificarse con el espacio de clases laterales compacto
Para demostrar este hecho, nótese que existe una acción de grupo natural de U( n ) sobre el conjunto de estados de H n . Esta acción es continua y transitiva sobre los estados puros. Para cualquier estado , el grupo de isotropía de , (definido como el conjunto de elementos de U( n ) tales que ) es isomorfo al grupo de productos
En términos de álgebra lineal, esto se puede justificar de la siguiente manera. Cualquiera de U( n ) que deje invariante debe tener como vector propio . Dado que el valor propio correspondiente debe ser un número complejo de módulo 1, esto da el factor U(1) del grupo de isotropía. La otra parte del grupo de isotropía está parametrizada por las matrices unitarias en el complemento ortogonal de , que es isomorfo a U( n − 1). De esto, la afirmación del teorema se deduce de hechos básicos sobre las acciones transitivas de grupos compactos.
El hecho importante a destacar arriba es que el grupo unitario actúa transitivamente sobre estados puros.
Ahora la dimensión (real) de U( n ) es n 2 . Esto es fácil de ver ya que el mapa exponencial
es un homeomorfismo local del espacio de matrices complejas autoadjuntas a U( n ). El espacio de matrices complejas autoadjuntas tiene dimensión real n 2 .
Corolario . La dimensión real del espacio de estados puros de H n es 2 n − 2.
De hecho,
Apliquemos esto para considerar la dimensión real de un registro cuántico de m qubits. El espacio de Hilbert correspondiente tiene dimensión 2 m .
Corolario . La dimensión real del espacio de estados puros de un registro cuántico de m qubits es 2 m +1 − 2.
Trazado de estados puros de dos espinores mediante proyección estereográfica
donde y son números complejos que están normalizados de modo que
y tal que y , es decir, tal que y forman una base y tienen representaciones diametralmente opuestas en la esfera de Bloch, entonces sea
sea su proporción.
Si se considera que la esfera de Bloch está incrustada en con su centro en el origen y con radio uno, entonces el plano z = 0 (que interseca la esfera de Bloch en un círculo máximo; el ecuador de la esfera, por así decirlo) puede considerarse como un diagrama de Argand . Dibuje el punto u en este plano, de modo que en tenga coordenadas .
Dibuje una línea recta a través de u y a través del punto en la esfera que representa . (Sea (0,0,1) representa y (0,0,−1) representa .) Esta línea interseca la esfera en otro punto además de . (La única excepción es cuando , es decir, cuando y .) Llamemos a este punto P . El punto u en el plano z = 0 es la proyección estereográfica del punto P en la esfera de Bloch. El vector con cola en el origen y punta en P es la dirección en el espacio 3-D correspondiente al espinor . Las coordenadas de P son
Operadores de densidad
Las formulaciones de la mecánica cuántica en términos de estados puros son adecuadas para sistemas aislados; en general, los sistemas mecánicos cuánticos deben describirse en términos de operadores de densidad . La esfera de Bloch parametriza no solo estados puros sino también estados mixtos para sistemas de 2 niveles. El operador de densidad que describe el estado mixto de un sistema cuántico de 2 niveles (qubit) corresponde a un punto dentro de la esfera de Bloch con las siguientes coordenadas:
donde es la probabilidad de los estados individuales dentro del conjunto y son las coordenadas de los estados individuales (en la superficie de la esfera de Bloch). El conjunto de todos los puntos sobre y dentro de la esfera de Bloch se conoce como la bola de Bloch.
Para estados de dimensiones superiores, es difícil extender esto a estados mixtos. La descripción topológica se complica por el hecho de que el grupo unitario no actúa transitivamente sobre los operadores de densidad. Además, las órbitas son extremadamente diversas, como se desprende de la siguiente observación:
Teorema . Supóngase que A es un operador de densidad en un sistema mecánico cuántico de nivel n cuyos valores propios distintos son μ 1 , ..., μ k con multiplicidades n 1 , ..., n k . Entonces el grupo de operadores unitarios V tales que VAV * = A es isomorfo (como un grupo de Lie) a
En particular, la órbita de A es isomorfa a
Es posible generalizar la construcción de la bola de Bloch a dimensiones mayores que 2, pero la geometría de dicho "cuerpo de Bloch" es más complicada que la de una bola. [9]
Rotaciones
Una ventaja útil de la representación de la esfera de Bloch es que la evolución del estado del cúbit se puede describir mediante rotaciones de la esfera de Bloch. La explicación más concisa de por qué esto es así es que el álgebra de Lie para el grupo de matrices unitarias y hermíticas es isomorfa al álgebra de Lie del grupo de rotaciones tridimensionales . [10]
Operadores de rotación sobre la base de Bloch
Las rotaciones de la esfera de Bloch alrededor de los ejes cartesianos en la base de Bloch están dadas por [11]
Rotaciones sobre un eje general
Si es un vector unitario real en tres dimensiones, la rotación de la esfera de Bloch alrededor de este eje viene dada por:
Un dato interesante a destacar es que esta expresión es idéntica, bajo el nuevo etiquetado, a la fórmula de Euler extendida para cuaterniones .
Derivación del generador de rotación de Bloch
Ballentine [12] presenta una derivación intuitiva para la transformación unitaria infinitesimal. Esto es importante para entender por qué las rotaciones de las esferas de Bloch son exponenciales de combinaciones lineales de matrices de Pauli. Por ello, aquí se ofrece un breve tratamiento de este tema. Se puede encontrar una descripción más completa en un contexto de mecánica cuántica aquí .
Consideremos una familia de operadores unitarios que representan una rotación alrededor de un eje. Como la rotación tiene un grado de libertad, el operador actúa sobre un campo de escalares tales que:
dónde
Definimos la unitaria infinitesimal como la expansión de Taylor truncada en segundo orden.
Por la condición unitaria:
Por eso
Para que esta igualdad sea cierta (suponiendo que es despreciable) requerimos
.
Esto da como resultado una solución de la forma:
donde es cualquier transformación hermítica, y se llama generador de la familia unitaria. Por lo tanto
Dado que las matrices de Pauli son matrices hermíticas unitarias y tienen vectores propios correspondientes a la base de Bloch, , podemos ver naturalmente cómo una rotación de la esfera de Bloch alrededor de un eje arbitrario se describe mediante
con el generador de rotación dado por
Enlaces externos
Visualización de esferas de Bloch en línea por Konstantin Herb
Véase también
Wikimedia Commons alberga una categoría multimedia sobre Esferas de Bloch .
Las implementaciones específicas de la esfera de Bloch se enumeran en el artículo sobre qubit .
Notas
^ Bloch 1946.
^ Bäuerle y de Kerf 1990, págs.330, 341.
^ Nielsen y Chuang 2000.
^ "Esfera de Bloch | Quantiki".
^ La matriz de densidad idempotente
actúa sobre el vector propio de estado con valor propio 1, por lo que es como un operador de proyección para él.
^ Feynman, Vernon y Hellwarth 1957.
^ Milonni y Eberly 1988, pág. 340.
^ Penrose 2007, pág. 554.
^ Appleby 2007.
^ DB Westra 2008, "SU(2) y SO(3)", https://www.mat.univie.ac.at/~westra/so3su2.pdf
^ Nielsen y Chuang 2010, "Computación cuántica e información", pág. 174
^ Ballentine 2014, "Mecánica cuántica: un desarrollo moderno", Capítulo 3
Referencias
Appleby, DM (2007). "Medidas simétricas informativamente completas de rango arbitrario". Óptica y espectroscopia . 103 (3): 416–428. arXiv : quant-ph/0611260 . Código Bibliográfico :2007OptSp.103..416A. doi :10.1134/S0030400X07090111. S2CID 17469680.
Bäuerle, Gerard GA; de Kerf, Eddy A. (1990). Álgebras de Lie, Parte 1: Álgebras de Lie de dimensión finita e infinita y aplicaciones en física . Estudios de física matemática. Ámsterdam: Holanda Septentrional. ISBN 0-444-88776-8.
Bloch, F. (1946). "Inducción nuclear". Physical Review . 70 (7–8): 460–474. Bibcode :1946PhRv...70..460B. doi : 10.1103/PhysRev.70.460 . ISSN 0031-899X.
Feynman, Richard P.; Vernon, Frank L.; Hellwarth, Robert W. (1957). "Representación geométrica de la ecuación de Schrödinger para resolver problemas de máser". Revista de Física Aplicada . 28 (1): 49–52. Bibcode :1957JAP....28...49F. doi :10.1063/1.1722572. ISSN 0021-8979. S2CID 36493808.
Nielsen, Michael A.; Chuang, Isaac L. (2000). Computación cuántica e información cuántica . Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-63503-5.
Milonni, Peter W.; Eberly, Joseph H. (1988). Láseres . Nueva York: Wiley-Interscience. ISBN 978-0-471-62731-9.
Penrose, Roger (2007). El camino hacia la realidad . Nueva York: National Geographic Books. ISBN 978-0-679-77631-4.