Zdefiniowane obiekty spełniają podstawowe własności, prawdziwe w dowolnym wymiarze przestrzeni Hilberta i niezależnie od ograniczoności operatorów. W przypadku nieograniczonym również można zdefiniować sprzężenie, ale jest to matematycznie subtelniejsze; wrócimy do tego w następnym temacie o teorii operatorów liniowych. Ponieważ cały świat używa Diraca, własności te stanowią faktycznie algebraiczne reguły rachunku kwantowego i trzeba je koniecznie opanować.
Ta lekcja zbiera wszystkie poznane użyteczne wzory, nawet kosztem powtórzeń, i dodaje kilka nowych. Najpierw podajemy reguły dla dowolnego wymiaru, następnie zestaw dla wymiaru skończonego, gdzie notacja Diraca sprowadza się do jawnego rachunku macierzowego.
1. Reguły rachunku w dowolnym wymiarze
Własności iloczynu skalarnego.
Niech (∣φ⟩,∣ψ⟩)∈H2 będą wektorami przestrzeni Hilberta, a (λ,μ)∈C2 skalarami. Iloczyn skalarny spełnia:
Symetria hermitowska:
⟨φ∣ψ⟩=⟨ψ∣φ⟩∗.
(1)
Antyliniowość z lewej: bra przypisane do λ∣ψ⟩ to λ∗⟨ψ∣, czyli:
(λ∣ψ⟩)†=λ∗⟨ψ∣oraz⟨λψ∣φ⟩=λ∗⟨ψ∣φ⟩
(2)
Liniowość z prawej:
⟨φ∣λψ⟩=λ⟨φ∣ψ⟩.
(3)
Kombinacje liniowe: poprzednie własności pozwalają rozwijać złożone wyrażenia w zwykły sposób. Na przykład dla wszystkich α,β,γ,δ∈C:
z równością wtedy i tylko wtedy, gdy ∣ψ⟩=0 jest wektorem zerowym, czasem, choć rzadko, oznaczanym ∣∅⟩.
Własności sprzężenia.
Powtarzamy dwa wzory definiujące sprzężenie:
(A^∣φ⟩)†=⟨A^φ∣=⟨φ∣A^†
(6)
oraz
⟨A^φ∣ψ⟩=⟨φA^†ψ⟩=⟨φ∣A^†∣ψ⟩
(7)
Pozwala to także wykazać, przez symetrię hermitowską:
⟨φ∣A^†∣ψ⟩∗=⟨ψ∣A^∣φ⟩
(8)
Własności operatorów sprzężonych.
Dla dowolnych ciągłych operatorów liniowych A^,B^ na H i każdego skalara λ∈C:
(A^+B^)†(λA^)†(A^B^)†(A^†)†=A^†+B^†,=λ∗A^†,(antyliniowosˊcˊ)=B^†A^†,(uwaga na kolejnosˊcˊ)=A^,(inwolucja).
Operator ket-bra.
Bracket jest liczbą, lecz ket-bra jest operatorem, zwanym iloczynem zewnętrznym, bez związku z iloczynem zewnętrznym form różniczkowych. Dwóm wektorom ∣φ⟩ i ∣ψ⟩ przypisujemy operator ∣φ⟩⟨ψ∣ określony przez:
∣φ⟩⟨ψ∣:H→H,∣χ⟩↦∣φ⟩⟨ψ∣χ⟩.
Rozkład operatora jednostkowego.
Operator jednostkowy w H oznaczamy 1 i definiujemy przez 1x=x,∀x∈H. W przeliczalnej bazie Hilberta {∣ei⟩}i∈I, gdzie I jest skończony lub przeliczalnie nieskończony, operator jednostkowy 1 zapisuje się:
1=i∈I∑∣ei⟩⟨ei∣
(9)
Wzór jest niezwykle użyteczny w praktyce. Nazywa się też rozkładem jedności lub relacją zupełności. Prawa strona jest sumą w wymiarze skończonym albo szeregiem zbieżnym w wymiarze przeliczalnie nieskończonym. W wymiarze nieprzeliczalnym jest fałszywy.
Rozkład hilbertowski.
Poprzedni wzór bezpośrednio odtwarza twierdzenie o rozkładzie z lekcji 1, gdy ψi oznacza współrzędną ketu ∣ψ⟩ wzdłuż ∣ei⟩:
∣ψ⟩=1∣ψ⟩=i∈I∑⟨ei∣ψ⟩∣ei⟩=i∈I∑ψi∣ei⟩
(10)
Jest to suma lub szereg zależnie od wymiaru. Rozkład ketu ma odpowiednik dla bra:
⟨ψ∣=⟨ψ∣1=i∈I∑ψi∗⟨ei∣
(11)
Norma wynosi wtedy:
∥∣ψ⟩∥2=⟨ψ∣ψ⟩=i∈I∑ψi∗ψi=i∈I∑∣ψi∣2
(12)
Uwaga 1 (Uwaga na kolejność!)
Współrzędne ketu to ψi=⟨ei∣ψ⟩, a nie⟨ψ∣ei⟩, co daje ψi∗. Hermitowski iloczyn skalarny nie jest przemienny, więc kolejność ma znaczenie. W Rn ze zwykłym euklidesowym iloczynem skalarnym współrzędną vi wektora v otrzymujemy przez vi=v⋅ei. Mogłoby to sugerować kwantowy wzór ψi=⟨ψ∣ei⟩, ale jest on błędny!
Kilka szczególnych operatorów.
Następny temat szczegółowo przedstawia teorię operatorów liniowych na przestrzeni Hilberta. Zanotujmy już kilka częstych przypadków. Wśród operatorów H→H wyróżniamy:
Operatory unitarne są bijektywne, liniowe i zachowują iloczyn skalarny. Już je znamy: są to izomorfizmy izometryczne, tutaj dokładniej automorfizmy izometryczne, bo rozważamy tylko operatory liniowe z H w siebie.
2. Zestaw wzorów w wymiarze skończonym
Jeśli przestrzeń Hilberta ma skończony wymiar n, możemy bardziej skonkretyzować reguły. Wszystkie wzory z poprzedniej sekcji obowiązują, a sumy zapisujemy jako skończone: ∑i⟶∑i=1n.
Po wyborze bazy ortonormalnej B=(∣ei⟩)i=1n notacja Diraca odpowiada jawnemu rachunkowi macierzowemu, który teraz opiszemy. Uwaga: poniższe rozważania nie mają żadnego sensu w wymiarze nieskończonym.
Kety jako wektory kolumnowe.
Kanonicznie reprezentujemy kety bazy B przez macierze (n,1), czyli wektory kolumnowe:
∣ei⟩=0⋮010⋮0B
Liczba 1 zajmuje i-tą pozycję. Dzięki rozkładowi algebraicznemu
∣v⟩=i=1∑nvi∣ei⟩,
wszystkie kety zapisujemy jako kolumny: dla ∣v⟩∈H piszemy:
∣v⟩=v1v2⋮vnB∈Cn,
Bazę B tego rozwinięcia będziemy pomijać, chyba że jest potrzebna. Współrzędne otrzymuje się przez rzuty ortogonalne:
vi=⟨ei∣v⟩
(13)
Bra jako sprzężone wektory wierszowe.
Forma φu przypisana do wektora u musi spełniać dla każdego wektora v:
φu(v)=⟨u,v⟩=i=1∑nui∗vi,
z antyliniowości hermitowskiego iloczynu skalarnego z lewej. Aby otrzymać tę sumę jako iloczyn macierzowy, ⟨u∣ musi być wierszem sprzężonych współrzędnych u:
⟨u∣=(u1∗,u2∗,⋯,un∗),
Wówczas iloczyn skalarny ⟨u∣v⟩ jest zwykłym iloczynem macierzy:
Zatem bra ⟨u∣ jest sprzężoną transpozycją ketu ∣u⟩. Operacja dagger w wymiarze skończonym sprowadza się więc do sprzężonego transponowania:
∣u⟩†=∣u⟩∗⊤=⟨u∣
(14)
W wymiarze nieskończonym jest to fałszywe, a nawet pozbawione sensu, gdyż transpozycja nie jest zdefiniowana1.
Uwaga 1: Co najwyżej w ℓ2(N) z bazą kanoniczną opisaną w sekcji 3.2 (Temat 2, Lekcja 1) wiele działa podobnie, jeśli rozważymy nieskończone kolumny lub wiersze i zastąpimy skończone sumy szeregami zbieżnymi. Może to pomóc intuicji, ale ściśle rzecz biorąc nie są to macierze. W L2(R) nie ma to już żadnego sensu, choć istnieje także odpowiednik całkowy; zob. następna lekcja.
Macierzowa reprezentacja operatorów.
W bazie ortonormalnej {∣ei⟩}i=1n w wymiarze skończonym każdy operator liniowy A^ rozkłada się:
A^=i,j=1∑nAij∣ei⟩⟨ej∣,
(15)
Prowadzi to w wymiarze skończonym do naturalnego utożsamienia operatora liniowego A^ z daszkiem i jego macierzy A bez daszka. Wzór jest odpowiednikiem Diraca dla rozwinięcia macierzowego A=∑ijAijEij, gdzie Eij jest macierzą elementarną z 1 na pozycji (i,j) i zerami poza nią. Zatem Eij reprezentuje operator ∣ei⟩⟨ej∣. Współczynniki Aij nazywamy elementami macierzowymi operatora A^ w bazie {∣ei⟩}. Wynoszą one:
Aij=⟨ei∣A^ej⟩
Ze względów estetycznych częściej piszemy:
Aij=⟨ei∣A^∣ej⟩.
(16)
Operator jednostkowy reprezentuje oczywiście macierz jednostkowa; jego elementy to δij, symbol Kroneckera.
Ślad operatora.
Dalej często będziemy rozważać ślad operatora A^. W notacji Diraca oblicza się go przez:
Tr(A^)=i=1∑n⟨ei∣A^∣ei⟩=i=1∑nAii.
(17)
Wyrażenie to nie zależy od wyboru bazy ortonormalnej.
Sprzężenie i sprzężona transpozycja.
W wymiarze skończonym macierz operatora sprzężonego A^† jest sprzężoną transpozycją macierzy operatora A^:
A†=(A∗)⊤.
(18)
Krótki dowód pokazuje praktyczne użycie poznanych reguł. Elementy macierzowe A^† są z definicji równe:
(A^†)ij=⟨eiA^†ej⟩.
Z definicji sprzężenia:
⟨eiA^†ej⟩=⟨A^ei∣ej⟩
Z symetrii hermitowskiej ⟨A^ei∣ej⟩=⟨ej∣A^ei⟩∗, czyli jest to właśnie element macierzowy Aji∗. Zatem:
(A†)ij=Aji∗=(A∗⊤)ij
Dowodzi to własności. W wymiarze skończonym możemy więc przez jawny rachunek macierzowy sprawdzić, czy operator jest hermitowski, unitarny itd.