¿La mecánica cuántica en términos de operadores de densidad como objeto fundamental? [duplicar]

Así que hice dos cursos de mecánica cuántica de pregrado, el primero comenzó con la mecánica ondulatoria y luego pasó a sujetadores y kets, el segundo curso entró en más detalles sobre sujetadores, kets, espacios de hilbert, etc. mecánica hacia el final). Pero cerca del final del segundo curso, también entraron en operadores/matrices de densidad.

Se presentaron como otra capa de abstracción sobre el espacio de Hilbert más fundamental, una herramienta conveniente cuando se trata de conjuntos estadísticos clásicos de estados puros.

Sin embargo, al leer el libro de texto y otras fuentes, lo he visto descrito como más fundamental que los estados puros, una descripción natural de subsistemas de sistemas entrelazados más grandes, y que tiene la propiedad muy sugerente y atractiva de que existe una correspondencia uno a uno. entre estados y operadores, a diferencia del formalismo del espacio de hilbert donde la correspondencia es solo hasta un factor de fase.

Entonces, ¿existe una descripción de la mecánica cuántica que tome a los operadores de densidad como los objetos fundamentales, de la misma manera que el formalismo de soporte comienza con los rayos de un espacio complejo? Si es así, ¿cómo se ve, por qué no se enseña QM en términos de operadores de densidad y dónde puedo encontrar recursos para estudiarlo? Además, generalmente escuché que es más incómodo trabajar con sostenes y kets, ¿por qué?

Finalmente, si estamos representando estados por operadores y tratando los estados puros como casos especiales de operadores de densidad, ¿en qué están operando? ¿O es simplemente otro caso de representación de objetos matemáticos abstractos como operadores por conveniencia, y no tiene sentido preguntar sobre qué operan?

Creo que mi pregunta es ligeramente diferente, ya que no solo pregunto por el estado de los operadores de densidad como objetos fundamentales, sino por descripciones específicas de cómo se vería tal formulación.
De manera similar, podría describir la mecánica clásica solo con densidades de probabilidad en lugar de posiciones/momentos de partículas puntuales. Pero no hay razón para suponer que el sistema más grande en el que podemos pensar (es decir, el Universo) no está solo en un estado puro y puede describirse con una función de onda. Eso es, básicamente, de lo que se trata la mecánica cuántica, y la descripción efectiva por matrices de densidad es: sí, efectiva.

Respuestas (1)

En la mecánica cuántica, los objetos fundamentales nunca pueden ser estados (como las matrices de densidad). Los objetos fundamentales son siempre observables .

Esto se debe a la no conmutatividad: contrariamente a las teorías de probabilidad clásicas, donde hay un espacio de eventos (un conjunto junto con un σ -álgebra de subconjuntos medibles, los eventos), también llamado universo (en el sentido de teoría de la probabilidad), en teorías de probabilidad no conmutativas como la mecánica cuántica no existe un universo probabilístico, sino una colección de variables aleatorias no conmutativas (los observables), y la teoría se construye a partir de esta colección (es un C*-álgebra, matemáticamente hablando).

Por lo tanto, cualquier formulación matemática sensata de un sistema mecánico cuántico como teoría de la probabilidad no conmutativa debería tomar como punto de partida el álgebra C* de observables del sistema. Los estados correspondientes (probabilidades no conmutativas), y en particular los estados normales con una representación dada del álgebra (matrices de densidad), son un "objeto derivado": se obtienen por dualidad en el álgebra de observables.

Permítanme señalar también que la mecánica cuántica se puede estudiar de una manera muy abstracta (y en mi opinión reveladora) estudiando las propiedades de las C*-álgebras. De hecho, muchas características interesantes y bien conocidas de la mecánica cuántica, como el hecho de que los observables son operadores que actúan sobre espacios de Hilbert, la diferencia entre estados puros y mixtos, la existencia de representaciones no equivalentes del álgebra de relaciones canónicas de conmutación en QFT, y muchos otros están muy bien entendidos y explicados en el lenguaje (y usando las propiedades abstractas) de álgebras de operadores.

Esto es realmente interesante, pero seguramente podemos considerar nuestro "estado" como cualquier descripción de la realidad actual que produzca los observables que vemos. ¿Que hay algo, por extraño y probabilístico que sea, que podamos interpretar como una descripción de la realidad, incluso si esa descripción es solo de qué valores tomarán los observables?
Además, ¿me puede vincular a recursos para aprender sobre esta formulación de QM en sus propios términos?
El valor ontológico de los observables y estados, así como el concepto de realidad en QM siempre han sido temas muy delicados y muy debatidos. Mi respuesta no pretende ser ontológica, sino solo discutir la formalización matemática de QM. Y formalmente, QM debe formularse como una teoría de probabilidad no conmutativa, y esta última tiene la colección de observables/variables aleatorias como bloque de construcción fundamental. No llevaría la interpretación mucho más lejos que eso.
Con respecto a la formulación algebraica de QM, creo que los libros de Haag y Bratteli-Robinson , vol.2 pueden ser buenos puntos de partida.