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

Zaman Evrimi, Ehrenfest Teoremi ve Rabi Salınımı

Şimdiye kadar durumları ve ölçümleri tek bir anda inceledik. Bu konuda durumun zaman içinde nasıl değiştiğini, Schrödinger denklemini Dirac dilinde yazarak kuruyoruz: zaman evrimi üniter bir operatördür, $\hat{U}(t) = e^{-i\hat{H}t/\hbar}$. Aynı fiziği durumları sabit tutup operatörleri döndüren Heisenberg resmiyle de yazacak, her beklenen değerin $d\langle A\rangle/dt = (i/\hbar)\langle[\hat{H}, \hat{A}]\rangle + \langle\partial A/\partial t\rangle$ ile değiştiğini türetecek ve buradan korunum yasalarını ve Ehrenfest teoremini (klasik mekaniğe köprü) çıkaracağız. Sonra iki düzeyli bir sistemde manyetik alanda spin presesyonunu ve salınan bir alanla sürülen spinin Rabi salınımını dönen dalga yaklaşımıyla çözeceğiz. Sonunda bir π ya da π/2 atımının süresini, rezonans dışı aktarım olasılığını ve Larmor frekansını MHz–µs birimleriyle hesaplayabilecek, bunların NMR, MRI ve kubit kontrolündeki karşılığını açıklayabileceksin.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Bağlam: Durumlar Nasıl Değişir?

  2. Zaman Evrimi Operatörü ve Üniterlik

  3. Schrödinger ve Heisenberg Resimleri

  4. Beklenen Değerlerin Değişimi, Korunum ve Ehrenfest Teoremi

  5. Manyetik Alanda Spin: Larmor Presesyonu

  6. Rabi Problemi: Dönen Çerçeve ve Dönen Dalga Yaklaşımı

  7. Atımlar, NMR/MRI ve Kubit Kontrolü

  8. Çözümlü Örnekler

  9. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları

  10. Simülasyon ve Bağlantılar

Anahtar terimler

Zaman evrimi operatörü (time-evolution operator)
$\hat{U}(t) = e^{-i\hat{H}t/\hbar} = \sum_n e^{-iE_nt/\hbar}|n\rangle\langle n|$; Hermityen $\hat{H}$ için üniterdir, olasılığı ve iç çarpımları korur.
Heisenberg resmi (Heisenberg picture)
Durumların sabit, operatörlerin $\hat{A}_H(t) = \hat{U}^\dagger\hat{A}\hat{U}$ ile değiştiği eşdeğer betimleme; hareket denklemi $d\hat{A}_H/dt = (i/\hbar)[\hat{H}, \hat{A}_H]$.
Ehrenfest teoremi
$d\langle x\rangle/dt = \langle p\rangle/m$, $d\langle p\rangle/dt = -\langle V'(x)\rangle$; beklenen değerlerin Newton benzeri denklemleri. Kuadratik potansiyellerde klasik yörüngeyle tam örtüşür.
Korunan nicelik (constant of motion)
$[\hat{H}, \hat{A}] = 0$ ve $\partial\hat{A}/\partial t = 0$ olan gözlemlenebilir; beklenen değeri ve ölçüm olasılık dağılımı zamanla değişmez.
Larmor presesyonu ve frekansı
Sabit $\vec{B}$ alanında spinin Bloch vektörünün alan ekseni etrafında $\omega_0 = |\gamma|B_0$ ile dönmesi; proton için $42{,}58\,\text{MHz/T}$, elektron için $\approx 28\,\text{GHz/T}$.
Rabi frekansı ve genelleştirilmiş Rabi frekansı
$\Omega$: rezonansta $|0\rangle \leftrightarrow |1\rangle$ salınımının açısal frekansı; ayar kaymasıyla $\Omega_R = \sqrt{\Omega^2 + \Delta^2}$.
Dönen dalga yaklaşımı (RWA)
Dönen çerçevede $2\omega$ ile salınan terimleri atarak Hamiltoniyeni $\tfrac\hbar2(\Omega\sigma_x - \Delta\sigma_z)$ biçiminde zamandan bağımsız yapan yaklaşım; $\Omega \ll \omega_0$ iken geçerlidir.
π ve π/2 atımı
Rezonanslı sürüşte atım alanı $\Omega t = \pi$ (durumu $|0\rangle \to |1\rangle$ çevirir) ya da $\pi/2$ (eşit süperpozisyona, ekvatora götürür); $t_\pi = 1/(2f)$, $t_{\pi/2} = 1/(4f)$.
Ayar kayması (detuning)
$\Delta = \omega - \omega_0$; sürüş frekansının geçiş frekansından farkı. En büyük aktarımı $\Omega^2/(\Omega^2 + \Delta^2)$'ye düşürür.

Örnek soru

Zamandan bağımsız $\hat{H}$'nin bir özketi $|n\rangle$ ($\hat{H}|n\rangle = E_n|n\rangle$) için zaman evrimi operatörü $\hat{U}(t) = e^{-i\hat{H}t/\hbar}$ uygulanınca $\hat{U}(t)|n\rangle$ nedir?

  1. $e^{+iE_nt/\hbar}|n\rangle$
  2. $|n\rangle$
  3. $e^{-E_nt/\hbar}|n\rangle$
  4. $e^{-iE_nt/\hbar}|n\rangle$
  5. $\cos(E_nt/\hbar)\,|n\rangle$

Doğru cevap: D

Çözüm

1. Spektral ayrışım: $f(\hat{H})|n\rangle = f(E_n)|n\rangle$; $f(E) = e^{-iEt/\hbar}$.
2. $\hat{U}(t)|n\rangle = e^{-iE_nt/\hbar}|n\rangle$: özdurum yalnızca global bir faz kazanır, bu yüzden "durağandır".
3. Kontrol: $i\hbar\,\tfrac{d}{dt}(e^{-iE_nt/\hbar}|n\rangle) = E_n e^{-iE_nt/\hbar}|n\rangle$.
$e^{-E_nt/\hbar}$ ($i$ olmadan) normu sönümlendirir ve üniter değildir; $e^{+iE_nt/\hbar}$ zamanda geri evrimdir ($\hat{U}^\dagger$); $|n\rangle$ ise fazı tamamen yok sayar; tek başına gözlenmese de süperpozisyonlarda göreli faz olarak önem kazanır.

Temel Kuantum Fiziği ve Kuantum Teknolojilerine Giriş: tüm konular