狄拉克(Dirac)表示法

作者:
林昱誠(Yu-Cheng Lin)、徐育兆
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# 狄拉克(Dirac)表示法 ## 導言 線性代數是描述量子力學很好的數學工具,一個系統的狀態(量子態)可以用矩陣或向量表示,但頻繁書寫矩陣和向量有些繁瑣,因此知名英國物理學家 Dirac 發明 Bra-Ket 來代替這些矩陣和向量,稱作 Dirac notation # Bra-Ket ## Ket 向量 Ket 向量代表列向量(column vector): \begin{split} |a\rangle = \begin{bmatrix} a_1 \\ a_2 \\ \vdots \\ a_n \end{bmatrix}\end{split} n 為向量的維度,向量中的元素是複數,即: \begin{split} a_1, a_2, \ldots, a_n \in \mathbb{C} \end{split} Ket 也可以這樣表示 \begin{split}|a\rangle = [a_1, a_2, \ldots, a_n]^T\end{split}
範例:
在量子計算中,量子位元(Qubit)的狀態(可以先想成某個東西的狀態)可以用矩陣表示,為了書寫方便,我們較常用>在量子計算中,量子位元(Qubit)的狀態(可以先想成某個東西的狀態)可以用矩陣表示,為了書寫方便,我們較常用 Ket 來代表之:
\begin{split}|0\rangle=\begin{bmatrix}1 \\0\end{bmatrix}=| ⭡ 〉\end{split}
\begin{split}|1\rangle=\begin{bmatrix}0 \\1\end{bmatrix}=| ⭣ 〉\end{split}
## Bra向量 Bra 向量則是 Ket 向量的 dagger \begin{split}\langle a| = [a_1^*, a_2^*, \ldots, a_n^*]\end{split} 同上,向量中的元素是複數 \begin{split} a_1, a_2, \ldots, a_n \in \mathbb{C}\end{split} 而Bra向量也可以寫成 \begin{split}|a\rangle^\dagger = \langle a| = [a_1^*, a_2^*, \ldots, a_n^*] \quad \text{且} \quad \langle a |^\dagger = |a\rangle = \begin{bmatrix} a_1 \\ a_2 \\ \vdots \\ a_n \end{bmatrix}\end{split} 每個量子態都可以用Ket向量來表示,並且每個Ket向量都有相對應的Bra向量。這些概念在描述量子系統和進行量子計算時至關重要。 # Dirac表示法的應用 ## 向量內積 假設現在有兩個向量: \begin{split} |a\rangle = \begin{bmatrix} a_1 \\ a_2 \\ \vdots \\ a_n \end{bmatrix}\end{split} \begin{split} |b\rangle = \begin{bmatrix} b_1 \\ b_2 \\ \vdots \\ b_n \end{bmatrix}\end{split} 原本的內積就能透過以上代號,書寫成: \begin{split}\vec{a} \cdot \vec{b}=[a_1^*, a_2^*, \ldots, a_n^*]\begin{bmatrix} b_1 \\ b_2 \\ \vdots \\ b_n \end{bmatrix}=a_1^*b_1+a_2^*b_2+\ldots+a_n^*b_n=\langle a|b\rangle\end{split}
範例:
\begin{split}\langle1|0\rangle=[0,1]\begin{bmatrix}1 \\0\end{bmatrix}=0\cdot1+1\cdot0=0 \end{split}
## 向量長度 下式是我們計算向量長度的公式,以向量 $\vec{a}=(1,0)$ 為例: \begin{split} ||\vec{a}||=\sqrt{1^2+0^2}=1 \end{split} 改用 Bra-Ket 代號表示,則為: \begin{split}\sqrt{\langle a|a\rangle}=1 \end{split} # 結論 Dirac表示法的優勢在於其簡潔性和直觀性,它允許我們用簡潔的數學語言來描述量子態之間的轉換、疊加以及測量。
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