量子擴散通道中Wigner算符的演化規律*

張科 李蘭蘭 任剛 杜建明 范洪義

1) (淮南師范學院電子工程學院, 淮南 232038)

2) (中國科學技術大學研究生院科學島分院, 合肥 230031)

眾所周知, 量子態的演化可用與其相應的Wigner函數演化來代替.因為量子態的Wigner函數和量子態的密度矩陣一樣, 都包含了概率分布和相位等信息, 因此對量子態的Wigner函數進行研究, 可以更加快速有效地獲取量子態在演化過程的重要信息.本文從經典擴散方程出發, 利用密度算符的P表示, 導出了量子態密度算符的擴散方程.進一步通過引入量子算符的Weyl編序記號, 給出了其對應的Weyl量子化方案.另外,借助于密度算符的另一相空間表示—Wigner函數, 建立了Wigner算符在擴散通道中演化方程, 并給出了其Wigner算符解的形式.本文推導出了Wigner算符在量子擴散通道中的演化規律, 即演化過程中任意時刻Wigner算符的形式.在此結論的基礎上, 討論了相干態經過量子擴散通道的演化情況.

1 引 言

近來, 量子調控已經成為研究微觀世界的一個重要手段, 而用單光子實現量子操控尤為可行, 例如向光腔中逐個注入光子制備非高斯態, 理論上這屬于量子擴散機制[1,2].鑒于量子態的Wigner函數包含了量子態的概率分布和相位等信息, 量子態的演化可代之以研究相應的Wigner函數的演化[3?5].本文旨在研究量子相空間的Wigner算符在量子擴散通道的時間演化規律, 它簡潔而物理清晰, 展現了從點源函數向時刻高斯型函數的演變, k 是擴散系數, 這里代表 Weyl編序; a?,a是玻色產生和湮滅算符.用有序算符內的積分方法也可進一步將Wigner算符的Weyl編序式轉化為其他排序形式, 如正規乘積序等, 為計算量子態的Wigner函數演化規律帶來便利.本文安排如下, 先從經典擴散方程推導出量子擴散方程, 并以相干光場為例, 討論其量子擴散.鑒于初始相干光場的反正規乘積形式是Delta函數, 其演化就體現在從演化為

2 從經典擴散導出量子擴散方程

經典擴散方程是

其中 k 是擴散率, P (z,t) 是系統的某種密度分布函數.下面推導相應的量子擴散方程.我們將密度算符 ρ 用相干態表象中的 P -表示[8,9]:

其中

是相干態, 則密度算符的時間演化滿足方程為

將經典擴散方程(1)式代入(4)式即有

利用分部積分法, 并注意到在無窮遠處 P (z,t) 消失, 則有

所以

現在利用相干態投影算符的正規乘積表示

則有

將(10)式代入(6)式得到

這說明量子擴散方程為

這是從經典擴散方程過渡到量子擴散方程的捷徑.

3 相干光場的擴散

當初態是純相干光場時,

它的正規排序是

利用范洪義等[10]給出的把正規乘積排序變為反正規乘積排序的公式

所以初態是純相干光場時的反正規乘積排序是

故而它的 P ? 表示為

此解滿足初始條件, 即:

Pt是密度算符 ρt在相干態表象中的表示, 所以便可得到 ρt的反正規乘積形式為

這就是相干態在擴散通道中的演化公式.再用相干態表象[11]和有序算符內的積分技術[12?14]可以將它化為正規乘積,

通過(20)式可發現它不再是純態.同時可驗證 t rρt=1 , 故而 ρt是一個新光場密度算符, 代表一個廣義的混沌光場[15,16].計算 t 時刻的光子數:

4 Wigner算符的 Weyl排序形式

現在討論Wigner函數在擴散通道中的演化.鑒于 t 時刻的密度算符 ρ (t) 的Wigner函數是[17,18]

這里 ? (p,q) 是 Wigner算符, 所以 也可轉而討論Wigner算符在擴散通道中的時間演化, 即從?(p,q,0)演化為 ? (p,q,t).歷史上, Wigner算符最早是在坐標表象中定義的[19],

利 用 | q +v/2〉=e?iPv/2|q〉 和 | q 〉〈q|= δ(q?Q) , Q是坐標算符, P 是動量算符, (23)式可化為

與一般算符 H (P,Q) 及其經典對應 h (p,q) 的Weyl對應式為[23]

通過比較可見Wigner算符的Weyl排序形式是

從而

可見 H (P,Q) 的 Weyl排序形式, 可以直接將h(p,q)中的 p →P,q→Q , 并放入內得到.例如,的經典對應是

進一步令

可得Wigner算符的Weyl排序形式是

5 擴散通道中Wigner算符的演化方程

由于Wigner算符滿足:

Wigner算符本身看作是一個混合態的密度算符,根據(12)式, 它所滿足的擴散方程是

此方程也可從Wigner算符的正規乘積形式方程(37)直接導出(具體詳見附錄A).

對照本文第2節內容可見此擴散方程的經典對應是

此方程即為Wigner函數 W 應該滿足的擴散方程.

6 Wigner算符的演化方程之解

初始的Wigner算符 ? (α,α?,0) 在Weyl編序下是[24?26]

那么類比于本文第2節的結果可知:

其滿足的初始條件為

(41)式就是量子擴散通道中Wigner算符的演化律公式, 可以看出, 它簡潔明了, 同時展現了從點源函數向高斯型函數的演變, 所以此數學表達式的物理意義十分明晰.

從(40)式可知 ? (α,α?,t) 的經典對應是

根據(28)式可知

而對(24)式做積分可得:

所以 ? (α,α?,t) 的正規乘積是

這樣就從(40)式的Weyl編序形式導出了其正規乘積形式.另外, (45)式還可進一步得到驗證(具體詳見附錄B), 即將正規乘積形式轉化為Weyl編序形式.舉例, 當初態是純相干態, 那么經過擴散通道后, 從(40)式可知它的Wigner函數為

圖1所示為Wigner算符的演化規律, 圖1(a)描繪了相干態初始的Wigner函數, 尖峰象征Delta函數; 圖1(b) 描繪了 k t=0.8 時高斯型 Wigner函數.對比兩圖中Wigner函數的峰值及形狀, 可以看出相干態在耗散通道的演化情況.

圖1 (a) k t=0 , (b) k t=0.8 時, 相干態下 Wigner算符的 演 化 規 律( α =1/2(1+i) )Fig.1.Evolution law of Wigner operator for the coherent state with α =1/2(1+i) for (a) k t=0 ; (b) k t=0.8.

7 結 論

本文引入算符的Weyl編序記號, 導出量子擴散通道中Wigner算符的演化律公式, 它簡潔而物理清晰, 展現了從點源函數

向高斯型函數

的演變, k 是擴散系數.由此也可轉化為 Wigner算符的其他排序形式, 如正規乘積序.值得指出,對于相干態的演化用了反正規乘積來討論, 而對Wigner算符的演化用Weyl排序來討論, 這兩者的演化在數學形式上是一樣的.

附錄A 相空間中Wigner算符所滿足的擴散方程

本節驗證Wigner算符所滿足的擴散方程.由Wigner算符的正規乘積表達式(44)式可算出:

因此有

另一方面, 從Wigner算符的反正規乘積表達式

可以推導出:

所以

由以上這些關系式就能導出(36)式.

附錄B 化算符為Weyl排序的公式

相干態 | z 〉〈z| 的經典對應是

其Weyl對應式則為

由于是Delta函數型, 所以 | z〉〈z| 的Weyl排序形式為

代入(2)式得到

鑒于

這里 | β〉為相干態, |β〉=exp?|β|2/2+ βa?|0〉, 所以

這就是將算符轉化為Weyl編序的形式.當取 ρ 為(45)式時,

此為正規乘積形式, 則代入(B6)式便可得到Weyl編序形式.

此即驗證了(40)式.