Review of the Density Matrix

   Suppose a system consists of two subsystems, A and B, which have previously been in contact but are no longer interacting. The combined system has a wavefunction

Ψ = Ψ(α, β)         (1.1)

where α and β are appropriate commuting variables for the subsystems A and B.

          Now suppose we are only interested in subsystem A.A complete description of all measurements of A is provided by the density matrix ρ_A(α, α' ).

 (1.2)

Similarly, experiments performed on B are described by ρ_B(β, β' ).

 (1.3)

     The rule for computing an expectation value of an operator a composed of A degrees of freedom is

  (1.4)

Density matrices have the following properties:

1) Tr ρ = 1 (total probability=1)

2) ρ = ρ^† (hermiticity)

3) ρ_j ≥ 0 (all eigenvalues are positive or zero)

In the representation in which ρ is diagonal

 (1.5)

The eigenvalues ρ_j can be considered to be probabilities that the system is in the j^th state. However, unlike the case of a coherent superposition of states, the relative phases between the states | j› are random.

      There is one special case when the density matrix is indistinguishable from a pure state. This is the case in which only one eigenvalue ρ_j is nonzero. This case can only result from an uncorrelated product wave function of the form

 (1.6)

A quantitative measure of the departure from a pure state is provided by the Von Neumann entropy

 (1.7)

S is zero if and only if all the eigenvalues but one are zero. The one non-vanishing eigenvalue is equal to 1 by virtue of the trace condition on ρ. The entropy is also a measure of the degree of entanglement between A and B. It is therefore called the entropy of entanglement.

      The opposite extreme to a pure state is a completely incoherent density matrix in which all the eigenvalues are equal to 1/N, where N is the dimensionality of the Hilbert space. In that case S takes its maximum value

 (1.8)

More generally, if ρ is a projection operator onto a subspace of dimension n, we find

   S = log n      (1.9)

Thus we see that the Von Neumann entropy is a measure of the number of states which have an appreciable probability in the statistical ensemble. We may think of e^S as an effective dimensionality of the subspace described

by ρ.

      The Von Neumann (or entanglement) entropy should not be confused with the thermal entropy of the second law of thermodynamics. This entropy has its origin in coarse graining. If a system with Hamiltonian H is in thermal equilibrium at temperature T = 1/β then it is described by a Maxwell–Boltzman density matrix

 (1.10)

In this case the thermal entropy is given by

 (1.11)

اخر الاخبار

اخبار العتبة العباسية المقدسة

خدمات فكرية وثقافية عديدة قدمها مركز مُلتقى القمر الثقافي لزائري الأربعين

إحياءً لذكرى زيارة الأربعين.. العتبة العباسية المقدسة تواصل إقامة مجلسها العزائي

عبر كاميرات تعمل بالذكاء الاصطناعي.. قسم الاتصالات يوضح تفاصيل جديدة حول آلية عدِّ زائري الأربعين

شعبة الخطابة الحسينية النسوية تواصل نشاطاتها الفكرية والثقافية في مجمع الشيخ الكليني

المزيد

الآخبار الصحية

حجم جزء محدد من الجسم يعكس الصحة العامة ومخاطر الأمراض

تفشي عدوى بكتيرية بفرنسا يحتمل ارتباطها بنوع من الجبن الطري

دراسة حديثة تكشف ما تفعله الشاشات بـ"قلوب الأطفال" !

متلازمة المبنى المريض.. هكذا يتحول تكييف الهواء إلى خطر صحي ؟؟

المزيد

الآخبار التكنلوجية

كيف تتعامل مع حرارة الطقس أثناء القيادة؟

لماذا يجب عليك إيقاف تكييف السيارة قبل إطفاء المحرك؟

دراسة تكشف سببا محتملا وراء زيادة خطر إصابة الأطفال بالتوحد

تشيلي.. العثور على متحجرة حيوان ثديي صغير من زمن الديناصورات

المزيد

مواضيع ذات صلة

الأسرار المتبقية للثقوب السوداء ( نهاية الزمكان أم بوابة لكون آخر؟)

الثقوب الدودية

الثقوب البيضاء

الثقوب السوداء العملاقة

الثقوب السوداء

الثقوب السوداء

الطبيعة المتفردة للجاذبية

يمكن كشف التموجات الناتجة عن تصادم الثقوب السوداء في الفضاء

لماذا ندرس الثقوب السوداء؟

ماذا يحدث عند سقوط ثقب أسود في ثقب أسود؟

إطلاق النفثات

جمال التناظر