幺正算子保持量子态的内积不变,描述量子系统的可逆演化。湮灭算子则用于描述量子场中粒子的湮灭过程。
位移算子
d^(α)=exp(αa^†−α∗a^)
其中α是复位移参数,α∗是其复共轭
幺正性
d^†(α)=d^(−α)hatd(α)d^†(α)=I^
对湮灭算子的作用
d^†(α)a^d^(α)=a^+αhatd(α)a^d^†(α)=a^−α
乘积法则
d^(α)d^(β)=eiIm(αβ∗)d^(α+β)
相位平移算子
U^θ=eiθN^
粒子数算子N^=a^†a^表示系统中的粒子数。
对湮灭算子的作用:
U^θ†a^U^θ=e−iθa^
推导
计算对易子[N^,a^]
使用对易子的基本性质:[AB,C]=A[B,C]+[A,C]B
[N^,a^]=[a^†a^,a^]=a^†[a^,a^]+[a^†,a^]a^
简化对易关系
已知[a^,a^]=0和[a^†,a^]=−1:
[N^,a^]=a^†⋅0+(−1)⋅a^=−a^
结论
[N^,a^]=−a^ [N^,a^†]=a^†
Baker-Campbell-Hausdorff公式
BCH公式的一般形式,
对于任意两个算子X^和Y^,BCH公式为:
eX^Y^e−X^=Y^+[X^,Y^]+2!1[X^,[X^,Y^]]+3!1[X^,[X^,[X^,Y^]]]+⋯
对于相位平移算子
X^=iθN^,Y^=a^
首先计算第一级对易子:
[X^,Y^]=iθ[N^,a^]=−iθa^
第二级对易子:
[X^,[X^,Y^]]=[iθN^,−iθa^]=(iθ)(−iθ)[N^,a^]=θ2(−a^)=−θ2a^
第三级对易子:
[X^,[X^,[X^,Y^]]]=[iθN^,−θ2a^]=(iθ)(−θ2)[N^,a^]=−iθ3(−a^)=iθ3a^
各级对易子
[X^,n times[X^,⋯[X^,Y^]⋯]=(−iθ)na^
代入BCH公式
eiθN^a^e−iθN^=n=0∑∞n!(−iθ)na^=a^n=0∑∞n!(−iθ)n
求和项正是指数函数的泰勒展开:
eiθN^a^e−iθN^=a^e−iθU^θa^U^θ†=e−iθa^U^θ†a^U^θ=eiθa^
对于位移算子
令X^=αa^†−α∗a^,Y^=a^:
d^†(α)a^d^(α)=e−X^a^eX^=a^+[−X^,a^]+2!1[−X^,[−X^,a^]]+⋯
计算对易子
[X^,a^]=[αa^†−α∗a^,a^]=α[a^†,a^]−α∗[a^,a^]=−α [X^,[X^,a^]]=[X^,−α]=0
所有更高阶的对易子都为零
d^†(α)a^d^(α)=a^+αd^(α)a^d^†(α)=a^−α
相位平移算子的性质
性质1:幺正性
U^θ†=e−iθN^=U^−θU^θU^θ†=eiθN^e−iθN^=eiθN^−iθN^=e0=I^
性质2:乘积法则
U^θU^ϕ=eiθN^eiϕN^=ei(θ+ϕ)N^=U^θ+ϕ
因为N^与自身对易,指数可以直接相加
性质3:周期性
U^θ+2π=ei(θ+2π)N^=eiθN^ei2πN^ei2πN^∣n⟩=ei2πn∣n⟩=∣n⟩U^θ+2π=U^θ
例
对相干态的作用
相干态∣α⟩=d^(α)∣0⟩,计算相位平移后的状态:
U^θ∣α⟩=U^θd^(α)∣0⟩=d^(eiθα)U^θ∣0⟩=d^(eiθα)∣0⟩=∣eiθα⟩
对粒子数态的作用
U^θ∣n⟩=eiθN^∣n⟩=eiθn∣n⟩⟨m∣U^θ∣n⟩=eiθnδmn