Itô公式(参见文献[16-17])是随机分析和量子随机分析的基本结果. Itô随机积分已经被广泛应用于数学金融、随机控制和滤波等问题中(参见文献[1-2]).关于随机游动的Itô公式在文献[3-4]已被研究过.然而, 针对量子情形, Konno最近在文献[5]中研究了一维离散时间量子随机游动(简记为DQRW)的Itô公式.随后, Ampadu在平方整数格$Z_{2}$上将DQRW的Itô公式推广到二维情形(参见文献[6]).受其研究思想的启发, 基于文献[18]的研究成果, 作者再度考虑将关于CQRW的Itô公式开拓到$d$ -维情形.其中$d\in{\Bbb N}$且$d\geq 3, {\Bbb N}$是正整数集.
本文的写作目的是针对多维CQRW的Itô公式进一步展开研究.基于这一目标, 我们首要工作是建立高维CQRW模型.需要说明的是这方面的工作已在图上被研究过(参见文献[7-10, 13-14, 19]).但是还需强调这儿的延拓是一种自然的延拓, 是将单粒子游动延拓到多质点游动的情形.并且我们在上下文中也考虑了量子随机游动(简记为QRW)的纠缠与相互作用.
行文的内容安排如下:第二节主要简要回顾了高维CQRW的预备知识; 高维CQRW的Itô型公式将在第三节建立; 作为应用, 第四节给出了关于高维CQRW的Tanaka公式.
我们将在此小节简要回顾高维QRW的有关概念.在一个可供选择的Hilbert空间中QRW被看成是一个(连续时间) U -演化.假设$d\geq 1$是任意整数, $Z_{d}$是$d$ -维整数格.我们继续以$Z_{d}$上的QRW (参见文献[14-15])作为研究对象.因此其手征态在数学上可理解为Hilbert空间中的$2d$ -维向量, 并且通过$2d\times2d$ U -矩阵作用发生旋转.下面给出矩阵的变换.
对于$j=1, 2, \cdots, d$, 假设$A^{\pm}$是依如下方式定义的$2d\times2d$矩阵
和
由此可定义
其中
这里$l_{i}\in{\Bbb C}, i=1, 2, 3, 4$. ${\Bbb C}$是复数集.
注意到:当$d=1$时, $U^{-}_{1}$和$U^{+}_{1}$各自分别对应于$L$和$R$, 具有如下形式
从而QRW在$Z_{d}$上依据其手征态在每一时刻向左或向右移动一步, 向前或向后移动一步, 向上或向下移动一步, $\cdots$如此循环往复.因此, $d$ -维QRW可看成是Hilbert空间中的一种演化
其中${\cal H}_{x}$是${\Bbb Z}_{2d}$的复制, 或者等价于其Fourier变换空间
这里$h_{k}$是${\Bbb C}^{2d}$的副本. $(2.4)$和$(2.5)$式之间的变换方式如下所示
其中$e_{x}(k)=(2\Pi)^{-d/2}{\rm e}^{{\rm i}kx}$.依据文献[11-12]一维QRW具有如下演化方式
这儿$|\psi_{n}(x)\rangle$是手征态.现在我们着手将上述的演化进行延拓为
其中$T_{j}, j=1, 2, \cdots, d$是将第$j$个坐标轴, 按照下面的方式进行变换
且$u_{j}$是第$j$个坐标轴上的单位向量.而$\psi_{n}$则是依据以下方式进行变换
这儿的$T$意指空间$l^{2}({\Bbb Z})$上的左变换, 具有如下形式
并且$T$是$U$ -映射, 其共轭映射是具有以下特征的右变换
这样算子$T$自然地可延拓到${\cal H}=\bigoplus\limits_{x\in{\Bbb Z}}{\cal H}_{x}$.因此方程$(2.8)$有解, 且形如
其中$\widetilde{U_{j}^{\pm}}$是将$U_{j}^{\pm}$延拓到空间${\cal H}$得到的结果.如果我们在‘Fourier’ -变换空间$\hat{{\cal H}}$中重新表示$(2.13)$式, 那么将有
这儿$U(K)$是$U$ -矩阵, 表示形式如下
经过上述操作, 在一些适当技术条件下, QRW可以延拓到任意高维情形.假设$H(k)$是生成QRW的自伴随矩阵, 即它满足关系式
其中$H(k)$是自伴算子, 定义方式如下
这儿$\gamma(k-\theta_{1})$可理解为周期为$2\Pi$的周期函数, 定义域为${\Bbb R}$且$\theta_{1}\in{\Bbb K}$.由于技术处理的需要, 我们做如下假设
$(\star)$$H(k)$中的特征值和特征向量在紧集${\Bbb K}^{d}$上都是连续可微的.
在行文中我们继续假定假设$(\star)$成立.
设$\gamma(k)$是定义在${\Bbb K}=(-\Pi, \Pi]$上的非负对称函数且$H(k)$可实现对角化, 形如
是特征值的对角矩阵, 而$S(k)$是$U$ -矩阵, 其列向量包含$H(k)$中的特征向量.
现在我们需要在‘Fourier‘变换空间中探究QRW的演化过程.易知变换算子$T$在‘Fourier‘变换空间中借助${\rm e}^{-{\rm i}k}$可被重写为一个乘算子.因此, $(2.10)$式中的演化在‘Fourier‘变换空间中具有如下表示形式
注意到对每一个$k\in{\Bbb K}$, 矩阵
是${\Bbb C}^{2}$中的$U$ -矩阵, 因此$(2.20)$式中的演化在$\hat{H}$中理所当然也是$U$的.从而$(2.20)$式中的演化可被表示为
这儿$U(k)$曾经出现在$(2.21)$式.借助文献[18]可知, $U$ -矩阵$U(k)$可被对角化为
因此我们可把它重写为形如$(2.16)$式.易见QRW的演化可被表示为
其中$H(k)$曾经出现在$(2.17)$式.此时可将DQRW延拓到CQRW.
定义2.1 设$H$是一个$2d\times 2d$ $U$ -矩阵.在‘Fourier’变换空间中${\Bbb Z}_{d}$上的CQRW通过$U$ -演化可被定义为
这儿$H(k)$是在$(2.17)$式中给出的自伴算子.
关于CQRW的简单图的直积问题, 作为一个例子, 我们可借助$d$ -维整数格${\Bbb Z}_{d}$ (是乘积图的一种简单结构)直接计算其波函数$|\psi_{t}\rangle$.
注2.1 相应的${\Bbb Z}_{d}$的正规化的邻接矩阵可看做是${\Bbb Z}^{2}$的直积
其中和式中第$i$ -项具有形如‘Pauli’ -矩阵, $\sigma_{x}=\left( \begin{array}{cc} 0 ~~& 1 \\ 1 ~~& 0 \\ \end{array} \right)$出现在张量积中的第$i$ -位置.
因此有
这儿$B^{\otimes n}$是$B$的$n$个副本的张量积.若$|\psi_{0}\rangle = |0\rangle^{\otimes n}$, 则
定义2.2 由此我们看到CQRW类似于$n$个无相互作用的量子比特系统.
此小节我们考虑在${\Bbb Z}_{d}$上建立$d$ -维CQRW ($d\geq 3$)的Itô公式, 其中${\Bbb Z}$是整数.设${\Bbb R}^{+}$是正实数且${\Bbb T}\in {\Bbb R}^{+}$.一个路径$w$可表示为$w=(w_{t_{0}}, w_{t_{1}}, \cdots, w_{t_{n}})$, 其中$w_{t_{i}}\in {\Bbb R}, t_{i}\in{\Bbb T}$, 且$|w_{t_{i}}-w_{t_{i-1}}|=1$.路径$w$的长度被定义为$|w|=n, n\in\{0, 1, \cdots, \}$.现在我们就可以考察路径空间$\Omega_{t_{n}}$上的CQRW.为此, 假定$w =(w_{t_{0}}(x_{0})=0, w_{t_{1}}(x_{1}), \cdots, w_{t_{n}}(x_{n}))\in\Omega_{t_{n}}$和$w_{t_{i}}(x_{i})=x_{t_{i}}$, 其意指游走者分别向左、向右、向下、向上、向前和向后等各个方向移动, 即指游走者在每一时间$t_{i}$步在位置$x_{i}$处的运动方向.例如, 当$i=1, 2, \cdots, d$时, 设$n, d\in{\Bbb N}=\{1, 2, \cdots, \}$.令
其中$I_{A}(x)$是指集合$A$的示性函数.注意到$w_{t_{i}}(m_{j}+1)-w_{t_{i}}(m_{j})\in\{-1, 1\}$且$m_{j}\in{\Bbb N}, $ $j=1, 2, \cdots, d$.由此我们即可考察CQRW在下列空间上的行为特征, $\Omega_{t_{1}, t_{2}, \cdots, t_{d}}=B_{t_{1}}^{n+1}\times B_{t_{2}}^{n+1}\times\cdots\times B_{t_{d}}^{n+1}$.为此设
且有
而且
依据文献[18]的方法, 直接地计算有
命题3.1 对任意的$ m_{j}\in\{0, 1, 2, \cdots, n_{d}-1\}, t_{i}\in [0, {\Bbb T}], i, j=1, 2, \cdots, d$.设$f: {\Bbb Z}^{d}\rightarrow {\Bbb C}$.则有
(1)
(2)
证 式(2)容易证明.通过在式$(1)$的求和过程中关于指标$m_{1}, m_{2}, \cdots, m_{d}$分别从$0$一直加到$n_{d}-1$, 就可得到表达式的结果.特别地, 易知在式$(2)$的表达式中右边容易被遗漏, 依据求和符号选取适当的指标, 由$0$一直加到$n_{d}-1$即可得到结果.在式$(1)$中的求和过程中关于指标$m_{1}, m_{2}, \cdots, m_{d}$分别从$0$一直加到$n_{d}-1$, 和式左边变成一个可伸缩的总和, 即, 和式压缩后式$(2)$的表达式中左边仅仅为两项.接着来看式$(1)$的表达式是怎样的.例如, 设$w_{t_{1}, \cdots, t_{d}}(m_{1}+1, m_{2}, \cdots, m_{d})-w_{t_{1}, \cdots, t_{d}}(m_{1}, m_{2}, \cdots, m_{d})=1$, 则有
由于
因此
从而有
至此完成了证明.
注3.1 命题$3.1$的表达式中的第一部分$(1)$是高维CQRW在$d$ -维整数格${\Bbb Z}_{d}$上的Itô公式.
对任意$i=1, 2, \cdots, d$, 令
且设
那么我们立即得到
定理3.1 对任意的$m_{j}\in\{0, 1, 2, \cdots, n_{d}-1\}, t_{i}\in [0, {\Bbb T}], i, j=1, 2, \cdots, d$, 设$f: {\Bbb Z}^{d}\rightarrow {\Bbb C}$.则有
注3.2 我们考虑:当$\sum\limits_{i=1}^{d}p_{i}=1$, 其中$p_{i}, i=1, 2, \cdots, d\in{\Bbb N}$对应于QRW在$d$ -维整数格${\Bbb Z}_{d}$上向左移动一步, 或向右、向下、向上、向前、向后, $\cdots$, 移动一步的概率.则有
那么若$p_{1}=p_{2}=\cdots=p_{d}=\frac{1}{d}, d\in{\Bbb N}$时, 则定理$3.3$是对应于DQRW在非对称的${\Bbb Z}_{d}$上移动一步的概率.此结果对于简单对称随机游动在$d$ -维整数格${\Bbb Z}_{d}$上移动一步的概率也有相应的结果.
此小节依据文献[18]我们将借助高维CQRW的Itô公式建立相应的Tanaka公式.
按照定理$3.3$的表达式的第一部分$(1)$, 我们得到
对任意的$k_{i}, i=1, 2, \cdots, d, $有下式成立
其中sgn$(\cdot)$意指符号函数.
对定理$3.3$的第一部分$(1)$中的第二个表达式采用类似的替换, 我们即可获得$d$ -维CQRW在整数格${\Bbb Z}^{d}$上的Tanaka公式如下.
推论4.1 假设题设条件与定理$3.3$一样.则有
依据文献[5-6]和[18]的思想, 对任意的$d\in{\Bbb N}, d\geq2$, 有函数$f(x_{1}, x_{2}, \cdots, x_{d})$.而要弄清$d$个变量的函数之间的关系将是一个十分有趣的问题.众所周知$\vartriangle f=f_{x_{1}}\vartriangle x_{1}+f_{x_{2}}\vartriangle x_{2}+\cdots+f_{x_{d}}\vartriangle x_{d}$, 利用已有关系式, 我们将得到另外一个$d$ -维CQRW在整数格${\Bbb Z}^{d}$上的Itô公式.这里仅仅把它看做一个猜想, 有朝一日验证或否定它都将是十分有趣的问题.
猜想4.1 设$f:{\Bbb Z}^{d}\rightarrow {\Bbb C}$.对任意的$m_{j}\in\{0, 1, 2, \cdots, n_{d}-1\}, t_{i}\in [0, {\Bbb T}], i, j=1, 2, \cdots, d$.有