Temel Kuantum Fiziği ve Kuantum Teknolojilerine Giriş · 3. Ünite: Kuantum Mekaniğinin Matematiksel Altyapısı

Matris Mekaniği ve Üniter Dönüşümler

Bir durumu bir tabanda açınca sayılardan oluşan bir sütun, bir operatörü açınca bir matris elde ederiz; kuantum mekaniğinin tüm hesapları bu matrislerle yapılabilir. Heisenberg'in 1925'te kurduğu matris mekaniği tam olarak budur. Bu konuda operatörlerin matris gösterimini $A_{ij} = \langle i|\hat{A}|j\rangle$ ile kuracak, taban değiştirmenin üniter bir matrisle yapıldığını ve üniter dönüşümlerin iç çarpımları, dolayısıyla olasılıkları koruduğunu göstereceğiz. Hangi niceliklerin tabana bağlı (matris elemanları, bileşenler) hangilerinin değişmez (iz, determinant, özdeğerler, beklenen değerler) olduğunu ayıracak, bir gözlemlenebiliri köşegenleştirmeyi öğrenecek ve Ünite 2-6'daki harmonik osilatörü merdiven operatörlerinin matrisleriyle yeniden yazacağız.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Bağlam: Heisenberg'in Matrisleri

  2. Operatörlerin Matris Gösterimi

  3. Taban Değişimi ve Üniter Matrisler

  4. Değişmezler ve Köşegenleştirme

  5. Harmonik Osilatörün Matris Gösterimi

  6. Çözümlü Örnekler

  7. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları

  8. Simülasyon ve Bağlantılar

Anahtar terimler

Matris elemanı (matrix element)
$A_{ij} = \langle i|\hat{A}|j\rangle$; operatörün seçilen ortonormal tabandaki gösterimi. Operatör çarpımı matris çarpımına, eşlenik eşlenik devriğe karşılık gelir.
Matris mekaniği (matrix mechanics)
Heisenberg, Born ve Jordan'ın 1925'te kurduğu, gözlemlenebilirleri sonsuz boyutlu matrislerle ve $\mathsf{XP} - \mathsf{PX} = i\hbar\mathsf{I}$ koşuluyla ifade eden formülasyon; dalga mekaniğine eşdeğerdir.
Üniter matris (unitary)
$U^\dagger U = UU^\dagger = I$; sütunları ortonormaldir, iç çarpımları ve normları korur, $|\det U| = 1$, özdeğerleri $e^{i\theta}$ biçimindedir.
Taban değişimi (change of basis)
Yeni taban vektörleri $U$'nun sütunları ($|e'_i\rangle = \hat{U}|i\rangle$) ise bileşenler $\psi' = U^\dagger\psi$, operatör $A' = U^\dagger AU$ olur.
Benzerlik dönüşümü (similarity transformation)
$A \to U^{-1}AU$; üniter durumda $U^\dagger AU$. İz, determinant, özdeğerler ve cebirsel bağıntılar korunur.
Değişmez (invariant)
Taban seçiminden bağımsız nicelik: iz, determinant, özdeğerler, $\langle\phi|\hat{A}|\psi\rangle$. Ölçülebilir sayılar değişmezdir.
Köşegenleştirme (diagonalization)
Hermityen $A$'yı ortonormal özvektörlerini sütun yapan üniter $U$ ile $U^\dagger AU = \mathrm{diag}(\lambda_i)$ biçimine getirmek; operatörün özvektör tabanına geçmek.
Merdiven operatörleri (ladder operators)
$\hat{a}|n\rangle = \sqrt{n}|n-1\rangle$, $\hat{a}^\dagger|n\rangle = \sqrt{n+1}|n+1\rangle$; enerji tabanında köşegenin hemen üstünde/altında $\sqrt{n}$ taşıyan matrisler.
Seçim kuralı (selection rule)
Bir geçiş operatörünün matris elemanının sıfır olduğu durum çiftleri; harmonik osilatörde $\langle m|\hat{x}|n\rangle \neq 0$ yalnızca $m = n \pm 1$ için.

Örnek soru

$\{|0\rangle, |1\rangle\}$ tabanında $A_{ij} = \langle i|\hat{A}|j\rangle$ (satır $i$, sütun $j$) kuralıyla $\hat{A} = |0\rangle\langle 1|$ operatörünün matrisi hangisidir?

  1. $\begin{pmatrix}0 & 1\\ 0 & 0\end{pmatrix}$
  2. $\begin{pmatrix}0 & 0\\ 1 & 0\end{pmatrix}$
  3. $\begin{pmatrix}1 & 0\\ 0 & 0\end{pmatrix}$
  4. $\begin{pmatrix}0 & 1\\ 1 & 0\end{pmatrix}$
  5. $\begin{pmatrix}0 & 0\\ 0 & 1\end{pmatrix}$

Doğru cevap: A

Çözüm

1. $A_{ij} = \langle i|0\rangle\langle 1|j\rangle = \delta_{i0}\delta_{1j}$.
2. Tek sıfırdan farklı eleman $i = 0$, $j = 1$: $A_{01} = 1$.
3. Satır 0, sütun 1'de 1 olan matris (A). Kontrol: $\hat{A}|1\rangle = |0\rangle$, yani ikinci sütun $(1, 0)^T$.
B şıkkı satır ve sütunu karıştırır; o matris $|1\rangle\langle 0| = \hat{A}^\dagger$'dır. D ise $\hat{A} + \hat{A}^\dagger = \sigma_x$'tir.

Temel Kuantum Fiziği ve Kuantum Teknolojilerine Giriş: tüm konular