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純態

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白熾燈(1)發射出的光子處於完全隨機偏振混合態(2),密度矩陣為

通過垂直平面偏振器(3)之後,光子處於垂直偏振純態(4),密度矩陣為

純態(pure state)這個名詞出現在幾個領域,包括物理方面的量子力學以及數學方面的泛函分析理論。

量子力學

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量子力學當中,純態由一個相同統計系綜(ensemble)所構成,而相對於純態的混態(mixed state)則可以分解兩個以上的系綜。在量子力學中有諸多表示型(formalism),一個量子態可由密度矩陣或稱密度算符表示,區分純態和混態的方法即可由此得之。純態S可用狄拉克符號的右括向量表示:

或寫成密度矩陣表示型則為:

給定的量子態對應不同的右矢(相差一個相位),,但對應唯一的密度矩陣,從這個角度說,密度矩陣表示更為經濟[1]。由此推廣,可以用密度矩陣表示定義更一般的態,

其中,是一組(不一定互相正交的)純態,且並滿足。注意數並不受希爾伯特空間維數的限制。

混態

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對於密度矩陣表述的量子態,若其不能寫作純態的密度矩陣(其中),則稱作混態

區分純態與混態

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區分純態與混態的方法要利用到表示對矩陣對角線元素和(trace),將純態和混態做歸一化動作,使得之值皆會是1。

而兩者不同處在於:歸一化過的純態,而歸一化過的混態則,和不同,由此得以辨別出純態與混態。

舉例

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為純態,為混態


量子退相干現象的過程中,與環境的相互作用會讓密度矩陣非對角線元素(off-diagonal elements)隨時間衰減到0。也就是說在這個例子,隨着時間逐漸增加,原本純態,

演化為混態,

泛函分析

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參閱

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參考資料

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  1. ^ {S. VanEnk, "Mixed states and pure states," [Online Note]. University of Oregon. Available: https://pages.uoregon.edu/svanenk/solutions/Mixed_states.pdf頁面存檔備份,存於互聯網檔案館) [Accessed: September 25, 2023]}