เครื่องหมาย bra-ket ทำงานอย่างไร


29

อัลกอริธึมเชิงควอนตัมมักใช้เครื่องหมาย bra-ket ในคำอธิบาย วงเล็บและเส้นแนวตั้งทั้งหมดเหล่านี้หมายความว่าอะไร ตัวอย่างเช่น: |ψ⟩=α|0⟩+β|1⟩

แม้ว่านี่จะเป็นคำถามเกี่ยวกับคณิตศาสตร์ แต่สัญกรณ์ประเภทนี้ดูเหมือนจะถูกใช้บ่อยเมื่อจัดการกับการคำนวณควอนตัมโดยเฉพาะ ฉันไม่แน่ใจว่าฉันเคยเห็นมันใช้ในบริบทอื่น ๆ


แก้ไข

ในส่วนสุดท้ายฉันหมายถึงความเป็นไปได้ที่จะแสดงเวกเตอร์และผลิตภัณฑ์ภายในโดยใช้สัญลักษณ์มาตรฐานสำหรับพีชคณิตเชิงเส้นและสาขาอื่น ๆ ที่ใช้วัตถุและตัวดำเนินการเหล่านี้ทำได้โดยไม่ต้องใช้สัญลักษณ์ bra-ket

สิ่งนี้ทำให้ฉันสรุปได้ว่ามีความแตกต่าง / เหตุผลบางประการว่าทำไม bra-ket จึงมีประโยชน์เป็นพิเศษสำหรับการบอกขั้นตอนวิธีควอนตัม มันไม่ได้เป็นการยืนยันความจริงฉันหมายถึงมันเป็นข้อสังเกต "ฉันไม่แน่ใจว่าฉันเคยเห็นมันใช้ที่อื่น" ไม่ใช่คำเดียวกับ "มันไม่ได้ใช้ในบริบทอื่น ๆ "


คำตอบ:


18

ตามที่ผู้อื่นอธิบายไว้แล้วket เป็นเพียงเวกเตอร์ ชุดชั้นในคือคอนจูร์ตของ Hermitian ของเวกเตอร์ คุณสามารถคูณเวกเตอร์ด้วยตัวเลขตามปกติ⟨ ψ ||ψ⟩ ⟨ψ|

ตอนนี้มาส่วนที่สนุก: คุณสามารถเขียนผลคูณของสองเวกเตอร์และเป็นขวา>| ไว⟩ ⟨ ไว|ψ⟩|ϕ⟩⟨ϕ|ψ⟩

คุณสามารถใช้ประกอบการที่จะเวกเตอร์ (ในมิติที่ จำกัด นี้เป็นเพียงคูณเมทริกซ์)ขวา>X|ψ⟩

โดยสรุปแล้วโน้ตนั้นมีประโยชน์และใช้งานง่ายมาก สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมดูบทความ Wikipediaหรือตำราเกี่ยวกับกลไกควอนตัม


"ชุดชั้นในเป็นชุดรูปแบบของ Hermitian" คอนจูเกตของ Hermitian ของเวกเตอร์คืออะไร? และเพียงผลิตภัณฑ์ภายในของเวกเตอร์และ ? ไว⊤ ψ ไวψ⟨ϕ|ψ⟩ϕ⊤ψϕψ
— พัฒนาซอฟต์แวร์

เวกเตอร์มีสองชนิดคือเวกเตอร์คอลัมน์และเวกเตอร์แถว คอนจูทีฟของ Hermitian ของเวกเตอร์คอลัมน์เป็นเวกเตอร์แถวที่มีองค์ประกอบคอนจูเกตที่ซับซ้อนและในทางกลับกัน
— jknappen - Reinstate Monica

องค์ประกอบผันซับซ้อน?
— พัฒนาที่

องค์ประกอบเช่นเดียวกับในองค์ประกอบเมทริกซ์ คุณยังสามารถใช้คำว่า "ส่วนประกอบ" ซึ่งเป็นเรื่องปกติมากขึ้นเมื่อพูดถึงเวกเตอร์
— jknappen - Reinstate Monica

1
ใช่เป็นผลิตภัณฑ์ชั้นในแต่ปริภูมิเวกเตอร์นั้นซับซ้อนดังนั้นสูตรจึงเป็นสังเกตกริชของ Hermitian conjugate ไม่ใช่แค่ทรานสโพส ไว† ψ⟨ϕ|ψ⟩ϕ†ψ
— jknappen - Reinstate Monica

20

คุณอาจคิดถึงและเป็นสถานะพื้นฐาน orthonormal สองสถานะ (แสดงโดย "ket" s) ของบิตควอนตัมซึ่งอยู่ในพื้นที่เวกเตอร์สองมิติที่ซับซ้อน เส้นและวงเล็บที่คุณเห็นนั้นเป็นสัญกรณ์ bra-ket aka Dirac สัญกรณ์ที่ใช้กันทั่วไปในกลศาสตร์ควอนตัม| 1 ⟩|0⟩|1⟩

ตัวอย่างสามารถแทนสถานะการหมุนของอิเล็กตรอนในขณะที่สามารถแทนสถานะการหมุนขึ้น แต่ที่จริงแล้วอิเล็กตรอนสามารถอยู่ในการซ้อนทับเชิงเส้นของทั้งสองสถานะคือ (ปกติแล้วจะเป็น ) ที่{C}|0⟩| ψ ⟩ อิเล็กตรอน = | 0 ⟩ + b | 1 ⟩ a | 0 ⟩ + b | 1 ⟩|1⟩|ψ⟩electron=a|0⟩+b|1⟩ a,b∈Ca|0⟩+b|1⟩|a|2+|b|2a,b∈C


16

วงเล็บและเส้นแนวตั้งทั้งหมดเหล่านี้หมายความว่าอะไร

สัญกรณ์หมายถึงว่าเป็นสิ่งเดียวกับหรือคือมันหมายถึงเวกเตอร์ที่มีชื่อ "วี" แค่นั้นแหละ. ไม่มีความลึกลับหรือเวทมนตร์อีกต่อไป สัญลักษณ์หมายถึงเวกเตอร์ที่เรียกว่า "psi"→ v|v⟩v→| ψ ⟩v|ψ⟩

สัญลักษณ์เรียกว่า "ket" แต่มันอาจเป็นไปได้เช่นกัน (และในความเห็นของฉัน) ควรเรียกว่า "เวกเตอร์" โดยไม่มีการสูญเสียความหมายเลย|⋅⟩

แม้ว่านี่จะเป็นคำถามเกี่ยวกับคณิตศาสตร์ แต่สัญกรณ์ประเภทนี้ดูเหมือนจะถูกใช้บ่อยเมื่อจัดการกับการคำนวณควอนตัมโดยเฉพาะ ฉันไม่แน่ใจว่าฉันเคยเห็นมันใช้ในบริบทอื่น ๆ

สัญกรณ์ถูกคิดค้นโดยนักฟิสิกส์ ( Paul Dirac ) และถูกเรียกว่า "สัญกรณ์แรค" หรือ"โน้ตยกทรงศรีสะเกษ" เท่าที่ฉันรู้ Dirac อาจคิดค้นมันขึ้นมาในขณะที่ศึกษากลศาสตร์ควอนตัมและในอดีตนั้นสัญกรณ์ส่วนใหญ่ถูกนำมาใช้เพื่อแสดงเวกเตอร์ที่แสดงในกลศาสตร์ควอนตัม สัญกรณ์ Bra-ศรีสะเกษเป็นมาตรฐานในการใด ๆบริบทกลศาสตร์ควอนตัมไม่ได้เป็นเพียงการคำนวณควอนตัม ยกตัวอย่างเช่นสมการชโรดิงเงอร์ซึ่งเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงในระบบควอนตัมและการคำนวณควอนตัมถือกำเนิดในทศวรรษที่ผ่านมาเขียนโดยใช้เครื่องหมาย Bra-ket

นอกจากนี้สัญกรณ์ยังค่อนข้างสะดวกในบริบทพีชคณิตเชิงเส้นอื่น ๆ และใช้นอกกลศาสตร์ควอนตัม


12

สิ่งนี้ทำให้ฉันสรุปได้ว่ามีความแตกต่าง / เหตุผลบางประการว่าทำไม bra-ket จึงมีประโยชน์เป็นพิเศษสำหรับการบอกขั้นตอนวิธีควอนตัม

มีคำตอบที่ยอมรับแล้วและคำตอบที่อธิบาย 'ket', 'bra' และสัญกรณ์สเกลาร์

ฉันจะลองเพิ่มอีกเล็กน้อยในรายการที่ไฮไลต์ ทำให้มันมีประโยชน์ / สัญกรณ์ที่มีประโยชน์คืออะไร?

สิ่งแรกที่สัญกรณ์ bra-ket นั้นมีการใช้งานมากมายจริงๆก็คือการใช้ eigenvector ของโอเปอเรเตอร์ (โดยปกติคือ Hermitian) ที่เกี่ยวข้องกับค่าลักษณะเฉพาะ สมมติว่าเรามีสมการ eigenvalue , นี่สามารถแทนได้เป็น , และอาจมีบางป้ายพิเศษถ้า มีบางเสื่อม\A | λ ⟩ = λ | λ ⟩ k | λ , k ⟩ = λ | λ , k ⟩A(v)=λvA|λ⟩=λ|λ⟩kA|λ,k⟩=λ|λ,k⟩

คุณเห็นว่าสิ่งนี้มีอยู่ทั่วกลศาสตร์ควอนตัมโมเมนตัมโลกาภิวัตน์มีแนวโน้มที่จะถูกระบุว่าเป็นหรือขึ้นอยู่กับหน่วยหรือหลายรัฐอนุภาค ; แสดงหมายเลขอาชีพสำหรับระบบ bose และ fermi หลาย ๆ ระบบร่างกาย ; ครึ่งหมุนอนุภาคพา eigenstates ปกติของบางครั้งเขียนเป็นและหรือและฯลฯ เพื่อการจดชวเลข| → p ⟩ | → p 1 , → p 2 , → p 3 … ⟩ | n 1 , n 2 , … ⟩ S z | + ⟩ | - ⟩ | ↑|k→⟩|p→⟩|p→1,p→2,p→3…⟩|n1,n2,…⟩Sz|+⟩|−⟩| ↓|↑⟩| ± ℏ / 2 ⟩ L 2 L z | L , M ⟩ L = 0 , 1 , 2 , ... M = - L , - L + 1 , ... , L - 1 , L|↓⟩|±ℏ/2⟩ ; เสียงประสานกลมเป็น eigenfunctions ของฟังก์ชั่นและถูกเขียนเป็นด้วยและL2Lz|l,m⟩l=0,1,2,…m=−l,−l+1,…,l−1,l.

ดังนั้นความสะดวกสบายของสัญกรณ์เป็นสิ่งหนึ่ง แต่ก็มีความรู้สึกแบบ 'เลโก้' ที่จะจัดการพีชคณิตด้วยสัญกรณ์ dirac ใช้ตัวอย่างเช่นตัวดำเนินการหมุนครึ่งตัวในรูปแบบไดเรคเป็น ทำหน้าที่ในสถานะเหมือนหนึ่งก็ไม่S x = ℏSx| ↑⟩Sx=ℏ2(|↑⟩⟨↓|+|↓⟩⟨↑|)|↑⟩

Sx|↑⟩=ℏ2(|↑⟩⟨↓|+|↓⟩⟨↑|)|↑⟩=ℏ2|↑⟩⟨↓∣↑⟩+ℏ2|↓⟩⟨↑∣↑⟩=ℏ2|↓⟩

ตั้งแต่และ 0⟨ ↓ ∣ ↑ ⟩ = 0⟨↑∣↑⟩=1⟨↓∣↑⟩=0

อะไรทำให้มีประโยชน์สำหรับอัลกอริทึมควอนตัม

สมมติว่าเรามีระบบสองระดับที่เหมาะสมสำหรับ qubit; นี้รูปแบบสองมิติที่ซับซ้อนปริภูมิเวกเตอร์พูดมีพื้นฐานคือแสดงเป็นและ\เมื่อเราพิจารณาพูด qubits ของแบบฟอร์มนี้รัฐของระบบที่อาศัยอยู่ในพื้นที่ที่ใหญ่กว่าพื้นที่เมตริกซ์ผลิตภัณฑ์ที่n} Dirac สัญกรณ์จะค่อนข้างสะดวกที่นี่พื้นฐานรัฐจะถูกกำกับโดยสตริงของคนและศูนย์และหนึ่งมักจะหมายถึงรัฐเช่นและบอกว่าเรามีตัวดำเนินการพลิกซึ่งแลกเปลี่ยน| 0 ⟩ | 1 ⟩ n V ⊗ n | 1 ⟩ ⊗ | 0 ⟩ ⊗ | 0 ⟩ ⊗ | 1 ⟩ ≡ | 1001 ⟩ X i 1 ↔ 0 i X 3 | 1001 ⟩ = | 1,011 ⟩V|0⟩|1⟩nV⊗n|1⟩⊗|0⟩⊗|0⟩⊗|1⟩≡|1001⟩Xi1↔0บน 'th bit, สิ่งนี้สามารถกระทำได้ค่อนข้างง่ายบนสตริงด้านบนเช่น , และรับผลรวมของโอเปอเรเตอร์หรือทำหน้าที่เป็น การทับซ้อนของรัฐทำงานได้อย่างง่ายดายiX3|1001⟩=|1011⟩

ข้อควรระวังเล็กน้อย:สถานะที่เขียนเป็นไม่ได้แปลว่าตัวอย่างเช่นเมื่อคุณมีเฟอร์มิออนสองตัวที่เหมือนกัน ฟังก์ชั่นคลื่นพูดว่าและโดยมีการทำดัชนีป้ายชื่อชุดพื้นฐานบางอย่างจากนั้นคนหนึ่งอาจเขียนสถานะปัจจัยสแลมของ fermionsในชวเลขเป็นหรือแม้แต่\| ⟩ ⊗ | b ⟩ ϕ k 1 ( → r 1 ) ϕ k 2 ( → r 2 ) 1|a,b⟩|a⟩⊗|b⟩ϕk1(r→1)ϕk2(r→2)| ϕk1,ϕk2⟩| k1,k2⟩≠| k1⟩⊗| k2

12(ϕk1(r→1)ϕk2(r→2)−ϕk1(r→2)ϕk2(r→1))
|ϕk1,ϕk2⟩|k1,k2⟩≠|k1⟩⊗|k2⟩

8

ศรีสะเกษสัญกรณ์หมายความว่าเวกเตอร์ในสิ่งที่ปริภูมิเวกเตอร์ที่เราทำงานอยู่ในเช่นเป็นพื้นที่ของการรวมกันเชิงเส้นที่ซับซ้อนของแปดสาย 3 บิต000 , 001 , 010 , ฯลฯในขณะที่เราอาจจะใช้เพื่อเป็นตัวแทนของรัฐที่ คอมพิวเตอร์ควอนตัม เครื่องตกแต่งψหมายถึงสิ่งเดียวกัน - | ψ ⟩ศรีสะเกษสัญกรณ์เป็นประโยชน์ส่วนหนึ่งที่จะเน้นว่าตัวอย่างเช่น| 010 ⟩เป็นองค์ประกอบของปริภูมิเวกเตอร์ที่น่าสนใจและอีกส่วนหนึ่งสำหรับความน่ารักของมันเมื่อใช้ร่วมกับเครื่องหมายยกทรง|ψ⟩000001010ψ|ψ⟩|010⟩

ชุดชั้นสัญกรณ์หมายถึงเวกเตอร์คู่หรือcovector - ฟังก์ชันเชิงเส้นหรือแผนที่เชิงเส้นจากเวกเตอร์ถึงสเกลาร์ซึ่งมีค่าที่เวกเตอร์| φ ⟩เป็นผลิตภัณฑ์ภายในของψกับφเขียนน่ารัก⟨ ψ | ไว ⟩ ที่นี่เราถือว่าการดำรงอยู่ของผลิตภัณฑ์ภายในซึ่งไม่ได้กำหนดในปริภูมิเวกเตอร์โดยพลการ แต่ในควอนตัมฟิสิกส์เรามักจะทำงานในพื้นที่ฮิลแบร์ตซึ่งโดยนิยามมีผลิตภัณฑ์ภายใน คู่ของเวกเตอร์บางครั้งเรียกอีกอย่างว่า⟨ψ||ϕ⟩ψϕ⟨ψ|ϕ⟩(Hermitian) ไขว้กันเพราะในการแทนเมทริกซ์เวกเตอร์จะสอดคล้องกับคอลัมน์และ covector ตรงกับแถวและเมื่อคุณคูณคุณจะได้สเกลาร์ (ส่วนของ Hermitian หมายถึงนอกเหนือจากการเคลื่อนย้ายเมทริกซ์เราใช้การรวมที่ซับซ้อนของรายการ - ซึ่งเป็นเพียงการเคลื่อนย้ายการแทนเมทริกซ์ต่อไป[ a b - b a ]ของจำนวนเชิงซ้อนa + b i )row×column[ab−ba]a+bi

เมื่อเขียนด้วยวิธีอื่นคุณจะได้ผลิตภัณฑ์ด้านนอกของด้วยซึ่งถูกกำหนดให้เป็นการแปลงเชิงเส้นของปริภูมิเวกเตอร์เพื่อให้โดย . นั่นคือให้เวกเตอร์ , เครื่องชั่งน้ำหนักมันเวกเตอร์โดยสเกลาร์ที่ได้รับจากสินค้าภายใน\เนื่องจากการดำเนินการที่เป็นปัญหาเกี่ยวข้องกันเราจึงสามารถลบวงเล็บและเขียนอย่างไม่น่าสงสัย|ψ⟩⟨ϕ|ϕ | θ ⟩ ↦ ( ⟨ ไว| θ ⟩ ) | ψ ⟩ θ ψ ⟨ ไว| θ ⟩ ( | ψ ⟩ ⟨ ไว| ) | θ ⟩ = | ψ ⟩ ⟨ ไว| θ ⟩ = ⟨ ไว| θ ⟩ | ψ ⟩ = ( ⟨ ไว| θ ⟩ ) |ψϕ|θ⟩↦(⟨ϕ|θ⟩)|ψ⟩θψ⟨ϕ|θ⟩⟨ ψ | ϕ ⟩ = ⟨ ϕ | ψ ⟩ * + ขฉัน- ขฉัน⟨ ψ | A | ไว⟩ ⟨ ψ | A | ϕ ⟩

(|ψ⟩⟨ϕ|)|θ⟩=|ψ⟩⟨ϕ|θ⟩=⟨ϕ|θ⟩|ψ⟩=(⟨ϕ|θ⟩)|ψ⟩.
การดำเนินงานที่เกี่ยวข้องกับการมีไม่สับเปลี่ยนทั่วไปอย่างไร: กลับลำดับผลตอบแทนถัวเฉลี่ยผันซับซ้อนเปลี่ยนโดยการสอง อาจมีการเปลี่ยนแปลงอื่น ๆ ของช่องว่างที่เกี่ยวข้องกับการโยนในการผสมเช่นซึ่งสามารถอ่านได้อย่างเท่าเทียมกันในขณะที่คำบุพบทของฟังก์ชันเชิงเส้นโดยการแปลงเชิงเส้นนำไปใช้กับเวกเตอร์⟨ψ|ϕ⟩=⟨ϕ|ψ⟩∗a+bia−bi⟨ψ|A|ϕ⟩⟨ψ|A|ϕ⟩หรือเป็นการประเมินผลของฟังก์ชั่นเชิงเส้นที่เวกเตอร์ที่ได้รับโดยการเปลี่ยนโดยการแปลงเชิงเส้น| ϕ ⟩ A⟨ψ||ϕ⟩A

สัญกรณ์ใช้เป็นหลักในฟิสิกส์ควอนตัม นักคณิตศาสตร์มักจะเขียนโดยที่นักฟิสิกส์อาจเขียน ; สำหรับ covector| ψ ⟩ ψ *ψ|ψ⟩ψ∗; ทั้ง ⟨ ψ , φ ⟩หรือ ψ * φสำหรับผลิตภัณฑ์ภายใน; และ ψ * φสำหรับสิ่งที่นักฟิสิกส์จะ notate โดย ⟨ ψ | A | ไว ⟩⟨ψ|⟨ψ,ϕ⟩ψ∗ϕψ∗Aϕ⟨ψ|A|ϕ⟩

โดยการใช้ไซต์ของเรา หมายความว่าคุณได้อ่านและทำความเข้าใจนโยบายคุกกี้และนโยบายความเป็นส่วนตัวของเราแล้ว
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.