时间非齐次二态量子游荡的演化过程分析
The Analysis of Evolution Process in a Time-Inhomogeneous Two-State Quantum Walk
收稿日期: 2020-09-11
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Received: 2020-09-11
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作者简介 About authors
林运国,E-mail:
In this paper, we establish a mathematical model for a time-inhomogeneous two-state quantum walk and give a calculation of the position probability distribution. By calculating spectral values and spectral vectors, we analyze the evolution of quantum states. Furthermore, we derive an Itô formula and get a matrix decomposition and its interpretation.
Keywords:
本文引用格式
林运国.
Lin Yunguo.
1 引言
近年来, 学者们也关注了非齐次量子游荡, 主要有交替式量子游荡、时间非齐次量子游荡和空间非齐次量子游荡. 这些模型主要特点是系统演化酉算子会随时间或空间变化而变化. 2009年, N.Linden等人最早引入非齐次量子游荡模型, 将硬币演化算子设为与状态和空间有关的量, 由此推导出有界性等相关性质[13]. 2010年, Shikano等人引入一维格上自对偶非齐次量子游荡, 研究其局域性和分形(霍夫斯塔特蝴蝶)[14]. 对于交替式量子游荡, 2017年Rousseva等人研究以相同角度顺时针和逆时针进行交替旋转的非齐次量子游荡, 并使用相位法近似计算游荡概率[15]. 对于空间非齐次量子游荡, 2013年Konno等人研究空间非齐次量子游荡并提出平均时间极限、弱极限和平稳等三类测度[16]; 2019年韩琦提出空间非齐次三态量子游荡的平稳测度[17]. 对于时间非齐次量子游荡, 2013年Machida讨论时间非齐次二态量子游荡的几种极限概率分布[18].
该文针对时间非齐次二态量子游荡分析其演化过程, 建立相应的数学模型, 通过归纳硬币演化序列给出位置概率分布的计算表达式, 运用谱理论分析系统量子态的演化过程, 从随机微分方程角度引出时间非齐次二态量子游荡的伊藤引理和伊藤公式, 并对公式进行矩阵分解和解释.
2 模型及相关概念
定义2.1 设一个量子系统的状态空间为
该文简称时间非齐次二态量子游荡为非齐次量子游荡. 如果硬币演化算子不会随着时间或者空间改变而变化, 则称为齐次量子游荡.
将硬币演化算子
该式给出了系统经过
给定函数
其中
对系统经过
函数
其中
3 位置概率分布
非齐次量子游荡经过
定义3.1 任取一个向量
定义3.2 称
在该定义中,
设
定义3.3 设
为一条硬币演化序列.
定义3.3中,
在上述定义基础上, 非齐次量子游荡的酉算子也可以表示为
经过
(3.3)式是将
定义3.4 任意给定非齐次量子游荡的一条路径
令
引理3.1 任意给定非齐次量子游荡的一条路径
其中
证 路径
(1)
该类型将路径划分为
(2)
该类型将路径划分为
(3)
该类型将路径划分为
(4)
该类型将路径划分为
由于到达同个位置的路径会具有相同向左或向右演化算子个数, 因此对式子(3.6)–(3.9)均去除符号
其中
推论3.1 任意给定齐次量子游荡的一条路径
其中
定理3.1 给定非齐次量子游荡的一个量子初态
证 给定非齐次量子游荡的一个量子初态
因而, 量子系统位于位置
其中
利用该定理可推出齐次量子游荡的位置概率分布. 令
考虑一类超几何级数
推论3.2 给定齐次量子游荡的一个量子初态
证 根据定理3.1, 系统处于位置
其中到达位置
同时, 对于齐次量子游荡, 根据推论3.1可知其路径只与分块数
其中
因而
证毕.
4 谱分析
定义4.1 称
当
(4.1)式用矩阵表示为
定义4.2 称
运用算子
定义4.3 定义完全硬币翻转算子
性质4.1 完全硬币翻转算子的谱是闭的单位圆盘, 即
证 设
将该式子展开
对位置
经化简有
所以有
其中
对于任意的
性质4.1给出完全硬币翻转算子
同时, 对谱向量讨论如下.
(1) 当谱值
其中
(2) 当谱值
(3) 当谱值
其中
5 伊藤过程、伊藤方程
定义5.1[19] 设随机过程
则称它为一个伊藤过程, 称(5.1)式为伊藤随机微分方程.
伊藤过程也称为扩散过程. 在该定义中,
引理5.1 设
该引理称为伊藤引理. 其中,
定理5.1
其中
证 首先, 取
根据(5.2)式, 位移增量为
漂移率为
方差率为
其中
将上式代入(5.2)式, 得到
对
对该式子两边同时乘以
化简得到
所以结论成立. 证毕.
首先, 对
其中
其次, 使用完全硬币翻转算子
其中
引理5.2 在伊藤公式中, 式子
经过化简后, 伊藤公式(5.5)作用在初始完成状态波函数
该式不但表达式简洁, 而且分解式具有一定数学含义. 解释如下
(1)
(2)
其中
(3)
其中
例5.1 考虑一个非齐次量子游荡, 量子初态为
取
(1)
(2)
其中,
(3)
其中,
参考文献
Quantum random walks
,DOI:10.1103/PhysRevA.48.1687 [本文引用: 1]
Quantum random-walk search algorithm
,DOI:10.1103/PhysRevA.67.052307 [本文引用: 1]
Quantum walk algorithm for element distinctness
,DOI:10.1137/S0097539705447311 [本文引用: 1]
Quantum computation and decision trees
,DOI:10.1103/PhysRevA.58.915 [本文引用: 1]
Quantum simulations of classical random walks and undirected graph connectivity
,DOI:10.1006/jcss.2000.1732 [本文引用: 1]
Periodicity of the discrete-time quantum walk on a finite graph
,
Symmetry of distribution for the one-dimensional hadamard walk
,
A new type of limit theorems for the one-dimensional quantum random walk
,
基于hadamard算子的二维离散量子行走的概率测度估计
,
Estimation of probability measure for 2-D discrete quantum walk based on hadamard operator
Inhomogeneous quantum walks
,DOI:10.1103/PhysRevA.80.052327 [本文引用: 1]
Localization and fractality in inhomogeneous quantum walks with self-duality
,DOI:10.1103/PhysRevE.82.031122 [本文引用: 1]
On alternating quantum walks
,DOI:10.1016/j.physa.2016.11.138 [本文引用: 1]
Limit measures of inhomogeneous discrete-time quantum walks in one dimension
,DOI:10.1007/s11128-011-0353-8 [本文引用: 1]
直线上空间非齐次三态量子游荡的平稳测度
,
The stationary measure of a space-inhomogeneous three-state quantum walk on the line
Limit distribution for a time-inhomogeneous 2-state quantum walk
,DOI:10.1166/jctn.2013.3090 [本文引用: 1]
A note on Itô's formula for discrete-time quantum walk
,DOI:10.1166/jctn.2013.3091 [本文引用: 4]
Itô formula for one-dimensional continuous-time quantum random walk
,DOI:10.1016/j.physa.2014.06.086
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