Como funciona a notação bra-ket?


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Algoritmos quânticos freqüentemente usam notação bra-ket em suas descrições. O que significam todos esses colchetes e linhas verticais? Por exemplo:|ψ⟩=α|0⟩+β|1⟩

Embora seja indiscutivelmente uma questão sobre matemática, esse tipo de notação parece ser usado frequentemente quando se lida especificamente com a computação quântica. Não sei se já o vi usado em outros contextos.


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Com a última parte, quero dizer que é possível denotar vetores e produtos internos usando notação padrão para álgebra linear, e alguns outros campos que usam esses objetos e operadores o fazem sem o uso de notação bra-ket.

Isso me leva a concluir que há alguma diferença / razão pela qual o bra-ket é especialmente útil para denotar algoritmos quânticos. Não é uma afirmação de fato, eu quis dizer isso como uma observação. "Não tenho certeza se o vi usado em outro lugar" não é a mesma declaração que "Não é usado em nenhum outro contexto".


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Relacionado: Como notação de bra-ketTEX no Meta.
— Nat

Respostas:


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Como já explicado por outros, um ket ⟨ ip ||ψ⟩ é apenas um vetor. Um sutiã é o conjugado hermitiano do vetor. Você pode multiplicar um vetor por um número da maneira usual.⟨ψ|

Agora vem a parte divertida: você pode escrever o produto escalar de dois vetores e|ψ⟩⟨ & Phi;|ϕ⟩ como .⟨ϕ|ψ⟩

Você pode aplicar um operador ao vetor (em dimensões finitas, isso é apenas uma multiplicação de matrizes) .X|ψ⟩

Em suma, a notação é muito prática e intuitiva. Para mais informações, consulte o artigo da Wikipedia ou um livro sobre Mecânica Quântica.


"bra é um conjugado hermitiano". O que é um conjugado hermitiano de um vetor? E é apenas o produto interno & Phi; ⊤ ψ de vetores & Phi e ψ ? ⟨ϕ|ψ⟩ϕ⊤ψϕψ
— develarist 17/11

Existem dois tipos de vetores, vetores de coluna e vetores de linha. O conjugado hermitiano de um vetor de coluna é um vetor de linha com elementos conjugados complexos e vice-versa.
— jknappen - Restabelece Monica em 17/11

elementos conjugados complexos?
— develarist 17/11

Elementos como nos elementos da matriz. Você também pode usar o termo "componentes" que é mais comum ao falar sobre vetores.
— jknappen - Restabelece Monica em 17/11

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Sim, é o produto interno , mas o espaço vectorial é complexo, então a fórmula é & Phi; † ip , observe o punhal para o conjugado hermitiano, que não é apenas a transposta. ⟨ϕ|ψ⟩ϕ†ψ
— jknappen - Restabelece Monica em 17/11

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Você poderia pensar em e | 1 ⟩ como dois estados da base ortonormais (representados por "Ket" s) de um bit quântico que reside num dimensional espaço vectorial dois complexo. As linhas e colchetes que você vê são basicamente a notação bra-ket, também conhecida como Dirac, que é comumente usada na mecânica quântica.|0⟩|1⟩

Como um exemplo poderia representar o spin-down estado de um elétron, enquanto | 1 ⟩ poderia representar o estado de spin-up. Mas, na verdade, o elétron pode estar em uma superposição linear desses dois estados, ou seja | ip ⟩ elétron = um | 0 ⟩ + b | 1 ⟩ (este é normalmente normalizados como uma | 0 ⟩ + b | 1 ⟩|0⟩|1⟩|ψ⟩electron=a|0⟩+b|1⟩ ) ondeum,b∈C.a|0⟩+b|1⟩|a|2+|b|2a,b∈C


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O que significam todos esses colchetes e linhas verticais?

A notação meios exatamente a mesma coisa que → v ou v , ou seja, ele denota um vetor cujo nome é "v". É isso aí. Não há mais mistério ou mágica. O símbolo | ip ⟩ denota um vetor chamado de "psi".|v⟩v→v|ψ⟩

O símbolo é chamado de "ket", mas poderia muito bem (e na minha opinião deve) ser chamado de um "vector" com absolutamente nenhuma perda de significado.|⋅⟩

Embora seja indiscutivelmente uma questão sobre matemática, esse tipo de notação parece ser usado frequentemente quando se lida especificamente com a computação quântica. Não sei se já o vi usado em outros contextos.

A notação foi inventada por um físico ( Paul Dirac ) e é chamada "notação Dirac" ou "notação bra-ket" . Até onde eu sei, Dirac provavelmente o inventou enquanto estudava a mecânica quântica, e, historicamente, a notação tem sido usada principalmente para denotar os vetores que aparecem na mecânica quântica, ou seja, estados quânticos. A notação bra-ket é o padrão em qualquer contexto da mecânica quântica, não apenas na computação quântica. Por exemplo, a equação de Schrodinger , que tem a ver com dinâmica em sistemas quânticos e antecede a computação quântica por décadas, é escrita usando a notação bra-ket.

Além disso, a notação é bastante conveniente em outros contextos de álgebra linear e é usada fora da mecânica quântica.


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Isso me leva a concluir que há alguma diferença / razão pela qual o bra-ket é especialmente útil para denotar algoritmos quânticos.

Já existe uma resposta aceita e uma resposta que explica 'ket', 'bra' e a notação escalar do produto.

Vou tentar adicionar um pouco mais à entrada destacada. O que a torna uma notação útil / útil?

A primeira coisa para a qual a notação de braquete é realmente muito usada é denotar de maneira muito simples os vetores próprios de um operador (geralmente hermitiano) associado a um valor próprio. Suponha que temos uma equação de autovalor , isso pode ser denotado como AA(v)=λv , e provavelmente algum rótulo adicional k se há alguma degeneração A | λ , k ⟩ = λ | λ , k ⟩ .A|λ⟩=λ|λ⟩kA|λ,k⟩=λ|λ,k⟩

Você vê isso empregado em toda a mecânica quântica, eigenstates de momento tendem a ser rotulados como ou| → p ⟩dependendo unidades, ou com múltiplos estados de partículas| → p 1, → p 2,|k→⟩|p→⟩; representação de número de ocupação para sistemas bose e fermi muitos sistemas corporais| n1,n2,…⟩; uma meia partícula de spin que leva os eigenstates geralmente doSz|p→1,p→2,p→3…⟩|n1,n2,…⟩Szoperador, escrito às vezes como E | - ⟩ ou | ↑|+⟩|−⟩ E | ↓|↑⟩ , Etc como abreviação para | ± ℏ / 2 ⟩ ; harmônicos esféricos como funções próprias das funções L 2 e L z são convenientemente escritos como | l , m ⟩ com l = 0|↓⟩|±ℏ/2⟩L2Lz|l,m⟩ e m = - l , - l + 1 , ... , L - 1 , l .l=0,1,2,…m=−l,−l+1,…,l−1,l.

Portanto, a conveniência da notação é uma coisa, mas também existe um tipo de 'lego' nas manipulações algébricas com a notação dirac, por exemplo, o meio operador de rotação na notação dirac como S x = ℏSx , atuando em um estado como | ↑ ⟩ simplesmenteSx=ℏ2(|↑⟩⟨↓|+|↓⟩⟨↑|)|↑⟩

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

uma vez que e ⟨ ↓ ∣ ↑ ⟩ = 0 .⟨↑∣↑⟩=1⟨↓∣↑⟩=0

O que o torna útil para algoritmos quânticos?

Digamos que temos um sistema de dois níveis adequado para um qubit; isso forma um espaço vetorial complexo bidimensional dizer cuja base é denotada como | 0 ⟩ e | 1 ⟩ . Quando consideramos digamos n qubits dessa forma, os estados do sistema vivem em um espaço maior, o espaço do produto tensorial, V ⊗ n | 1001 ⟩ , e dizer que temos um pouco aleta operador X i que intercambia 1 ↔V|0⟩|1⟩nV⊗n . A notação Dirac pode ser bastante útil aqui, os estados base serão rotulados por seqüências de caracteres uns e zeros e um geralmente denota um estado, por exemplo |1⟩⊗|0⟩⊗|0⟩⊗|1⟩≡|1001⟩Xi sobre o i 'th bit, isso pode agir em vez simplesmente sobre as cordas acima eg X 3 | 1001 ⟩ = | 1011 ⟩ , e tendo uma soma de operadores ou agindo em uma superposição de estados funciona tão simplesmente.1↔0iX3|1001⟩=|1011⟩

Cuidado leve: um estado escrito como nem sempre significa | um ⟩ ⊗ | b ⟩ , por exemplo quando tiver duas fermiones idênticos com funções de onda dizer φ k 1 ( → r 1 ) e φ k|a,b⟩|a⟩⊗|b⟩ϕk1(r→1), com rótulos indexando um conjunto base, em seguida, pode-se escrever o telhador estado determinante da férmions 1ϕk2(r→2) em uma abreviação como | φ k 1 , φ k 2 ⟩ ou mesmo

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

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A notação ket significa um vector em qualquer espaço vetorial Estamos trabalhando em, como o espaço de todas as combinações lineares complexas dos oito cordas de 3 bits 000 , 001 , 010 , etc. , como podemos usar para representar os estados de um computador quântico. Sem adornos vF significa exatamente a mesma coisa: a | ip ⟩ ket notação é útil em parte para enfatizar que, por exemplo, | 010 ⟩ é um elemento do espaço vectorial de interesse, e, em parte, pela sua fofura em combinação com o bra notação.|ψ⟩000001010ψ|ψ⟩|010⟩

O bra notação significa o vetor duplo ou covector - um mapa funcional linear ou linear de vetores a escalares, cujo valor em um vetor | φ ⟩ é o produto interno de ψ com φ , cutely escrito ⟨ ψ | & Phi; ⟩ . Aqui assumimos a existência de um produto interno, que não é dado em espaços vetoriais arbitrários, mas na física quântica geralmente trabalhamos em espaços de Hilbert que, por definição, têm um produto interno. O dual de um vetor também é chamado de⟨ψ||ϕ⟩ψϕ⟨ψ|ϕ⟩ (Hermitiana) de transposição , porque em representação de matriz, um vector corresponde a uma coluna e um covector corresponde a uma linha, e quando se multiplicam row×columnvocê recebe um escalar. (A parte hermitiana significa que, além de transpor a matriz, tomamos o complexo conjugado de suas entradas - que na verdade está apenas transpondo ainda mais a representação da matriz [ab−ba] do número complexo .)a+bi

Quando escrito de outra maneira, )|ψ⟩⟨ϕ|, você obtém o produto externo de com ϕ , definido como a transformação linear do espaço vetorial dada por | q ⟩ ↦ ( ⟨ & Phi; | q ⟩ ) | ip ⟩ . Isto é, dado um vetor θ , que dimensiona o vetor ψ pela escalar dada pelo produto interno ⟨ & Phi; | q ⟩ψϕ|θ⟩↦(⟨ϕ|θ⟩)|ψ⟩θψ⟨ϕ|θ⟩. Desde que as operações em questão são associativos, podemos remover os parênteses e escrever de forma inequívoca As operações envolvidas não são comutativas em geral, no entanto: reverter a ordem produz o conjugado complexo

(|ψ⟩⟨ϕ|)|θ⟩=|ψ⟩⟨ϕ|θ⟩=⟨ϕ|θ⟩|ψ⟩=(⟨ϕ|θ⟩)|ψ⟩.
, substituindo a + b i por um - b i . Pode haver outras transformações dos espaços envolvidos jogado no mix também, como ⟨ ip A , aplicada ao vetor | & Phi; ⟩ , ou como a avaliação do funcional linear⟨ψ|ϕ⟩=⟨ϕ|ψ⟩∗a+bia−bi , que pode ser lido de forma equivalente como o pré-composição do funcional linear ⟨ ip | pela transformação linear ⟨ ip | no vetor obtido pela transformação |⟨ψ|A|ϕ⟩⟨ψ|A|ϕ⟩⟨ψ| pela transformação linear Uma .|ϕ⟩A

A notação é usada principalmente na física quântica; matemáticos tendem a escrever apenas onde os físicos podem escrever | ip ⟩ ; ψ * para o covector ⟨ ψψ|ψ⟩ψ∗; quer ⟨ ψ , φ ⟩ ou ψ * φ para o produto interno; e ψ * A φ para o que os físicos faria Notate por ⟨ ψ | Um |⟨ψ|⟨ψ,ϕ⟩ψ∗ϕψ∗Aϕ .⟨ψ|A|ϕ⟩

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