偏迹(Partial Trace)的定义和数学物理意义

在数学(特别是线性代数、泛函分析和矩阵理论)中的 偏迹 (Partial Trace),是矩阵(或更一般地,张量积空间上的线性算子)上的一个运算,用于从复合系统的密度矩阵中约化出一个子系统的状态。

定义(有限维情形)

设 ​ 和 ​ 是两个有限维希尔伯特空间,维数分别为 ​ 和 ​。在张量积空间 ​ 上有一个线性算子(矩阵)。关于子系统 的偏迹 是一个作用在 ​ 上的线性算子,由以下条件唯一确定:

其中:

  • 用基表示:设 是 ​ 的基, 是 ​ 的基。

  • 矩阵元: 。

  • 偏迹 的矩阵元: 。

等价表述(使用部分内积)

其中 是 的一组标准正交基。

【注,这里对第一个表述中的形式做一些说明,

这个写法确实容易引起歧义。严格来说,你引用的写法:

在形式上是准确的,但需要明确其下标约定,否则容易误解为"四个指标"。

准确含义解释

设:

  • ​ 是 ​ 的基(指标 )

  • ​ 是 ​ 的基(指标 )

则 ​ 的一组基为 ​,可用双指标 标记。

矩阵 的矩阵元通常写作:

即 行由 标记,列由 标记。

那么,定义给出的表达式:

​

表示 列指标的第二个下标 与行指标的第二个下标 取相同值。也就是说:

  • 行指标:

  • 列指标: --- 注意这里的第二个下标 与行的第二个下标相同(但写法上与行的 是同一个求和指标)。

可能的混淆点

  1. 四个指标变成三个不同指标 : 中, 既作为行的第二个下标,也作为列的第二个下标,同时对 求和。这没有语法错误,但初学者容易误以为是 ​ 且 。

  2. 括号位置 :​ 中的逗号分隔的是"行标签"和"列标签",而不是四个独立指标。更清晰的写法可以是:

    或

更严谨的等价写法(避免歧义)

为了避免歧义,常见教材会写成以下形式之一:

写法1(显式基展开):

这里 就是一个数,不需要引入 符号。

写法2(用矩阵元符号,但写明指标对应关系):

并事先说明: 的矩阵元按基 排序,行标签 ,列标签 。

】

接下来,我们将 通过多个计算示例来更具体地掌握偏迹(Partial Trace)。


1. 偏迹的定义

1.1 动机

在量子力学中,复合系统 的态用密度矩阵 ​ 描述。那么,当我们只关心子系统 时,需要忽略掉其中 的状态,这里通过对子系统 求平均来 "忽略" ,这个操作就是偏迹:

对复合系统 的密度矩阵 求关于子系统 的偏迹,得到的结果

一定是子系统 的密度矩阵 (即作用在 的 Hilbert 空间上的合法密度矩阵)。

1.2 数学定义

设复合系统 的 Hilbert 空间为 ​,维数分别为 ​ 和 ​。

取 ​ 的一组正交归一基 ,则偏迹定义为:

等价地,用矩阵元表示为:

其中 是 ​ 的基。

注:

直观理解 :把 的指标"求和掉",剩下只含 的矩阵。


2. 示例 1:直积态(最简单)

设 ​,其中:

(均为 矩阵,但一般 ​ 本身是密度矩阵)

计算 :

取 的基 。

因为 ,所以:

​​

结果 :对直积态求 的偏迹,直接得到 ​。


3. 示例 2:2-qubit 最大纠缠态

考虑贝尔态 ​,

密度矩阵 。

在基 下:

求 ,用定义:

计算各个矩阵元:

所以:

结果 :最大纠缠态对 求偏迹,得到 的最大混合态。


4. 示例 3:使用矩阵分块法(2 2 系统通用方法)

对于 2-qubit,​ 是 矩阵,可以写成 分块形式:

其中 都是 矩阵。

公式:

即把对角分块加起来。

验证示例 2:

所以 ,
​


5. 示例 4:部分纠缠态

设 ,。

在 基下:

()

用分块法:

结果 :非最大纠缠时,​ 不是最大混合态,对角元是纠缠系数的平方。


6. 示例 5:3 2 系统(不同维度)

设 ​ 维度 3(基 ),
​ 维度 2(基 ​)。

取 ,其中
。

注意第二项 :第一个数 ,第二个数 。

写出 矩阵太繁琐,用定义:

即:

更直接:将 按 的基展开:

则

即:

验证:,且半正定。


7. 重要性质总结

性质 公式
迹不变
线性
直积态
部分求迹顺序可换

8. 计算口诀

  • 小系统:用定义式直接计算矩阵元。

  • 2 2 系统 :用分块法 。

  • 一般系统 :将 ​ 按 的基写成块矩阵,然后对各对角块求和。

掌握了这些示例,我们应该能计算任何偏迹了。

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