Simulación QFT simple: cómo hacerlo

Me gustaría escribir una simulación QFT simple para un campo escalar libre con un término de interacción cúbico. Sin embargo, me quedé un poco atascado. Trataré de describir lo que creo que entiendo.

Quiero echar un vistazo a un campo con densidad lagrangiana

L = 1 2 ϕ ˙ 2 1 2 ϕ 2 k ϕ 3 .

Entonces, para un campo clásico, la ecuación de movimiento (de la ecuación de Euler-Lagrange) sería

ϕ ¨ ϕ = 3 k ϕ 2 .

Sin embargo, me gustaría trabajar con un campo cuántico. Usando el procedimiento estándar de segunda cuantización, debo construir el hamiltoniano

H = d X [ 1 2 Π 2 + 1 2 ϕ 2 + k ϕ 3 ]

dónde Π = L / ϕ ˙ .

Ahora debería hacer una transformación. Π ( X , t ) Π ^ ( X , t ) y ϕ ( X , t ) ϕ ^ ( X , t ) . Hasta ahora, todo bien. Definición de la relación de conmutación [ ϕ ^ ( X , t ) , Π ^ ( X , t ) ] = i d ( X X , t t ) , de alguna manera debería hacer contacto con los operadores de escalera a y a . Sin embargo, realmente no veo cómo. Para un campo libre, encuentro las soluciones clásicas gratuitas similares a ondas y luego promuevo los pesos de los diferentes modos a los operadores. Para un campo con interacción, realmente no sé qué hacer. Este es mi primer problema.

En segundo lugar, una vez que hago contacto con los operadores de escalera, puedo expresar cualquier estado del sistema como una concatenación de operadores de escalera en el estado de vacío. | 0 como a pag 2 a pag 1 | 0 . Entonces, un estado general debe describirse como una superposición de todos los estados posibles de todos los números de partículas.

| ψ = ( λ 0 + pag 1 λ 1 ( pag 1 ) a ( pag 1 ) + pag 1 , pag 2 λ 2 ( pag 1 , pag 2 ) a ( pag 2 ) a ( pag 1 ) + [ partícula superior estados numéricos ] ) | 0 .

Tal estado tiene funciones de parámetros λ 0 , λ 1 ( pag 1 ) , λ 2 ( pag 1 , pag 2 ) etc. dando amplitudes de diferentes estados de número de partículas particulares con diferentes momentos.

Ahora, estoy confundido en cuanto a si la evolución del sistema debería estar completamente contenida en el λ s como funciones del tiempo, o si los operadores de escalera deben evolucionar en el tiempo. En cualquier caso, ¿cómo puedo obtener la ecuación de movimiento del sistema QFT? Este es mi segundo problema.

Agradecería si alguien pudiera ayudarme con esto. En particular, mi objetivo es ver las funciones λ evolucionando en el tiempo en una computadora.

Muchas gracias.

SSF

Tus primeras relaciones de conmutación son incorrectas. Deben estar al mismo tiempo, es decir [ ϕ ^ ( t , X ) , Π ^ ( t , X ) ] = i d ( X X ) .
consigo el i poco - eso fue un error. Pero, ¿por qué debería escribirlos manifiestamente al mismo tiempo? Después de todo, los objetos ϕ y Π en la teoría clásica de campos eran funciones tanto del espacio como del tiempo.
En la cuantificación canónica, se cuantifica la teoría en un intervalo de tiempo arbitrario t . Luego, se definen los campos y sus momentos conjugados en este intervalo de tiempo y, finalmente, se imponen "relaciones de conmutación de tiempo igual" en este intervalo de tiempo. Todo se hace en un solo intervalo de tiempo. Para moverse entre sectores, puede utilizar el operador de evolución temporal.
De hecho, uno de los problemas que tiene la gente con la formulación hamiltoniana es que rompe la invariancia manifiesta de Lorentz al seleccionar un momento especial como se describe anteriormente.
Tenga en cuenta que el sistema que está simulando es inestable. No tiene vacío. Vas a tener un lío si tratas de simularlo en una computadora. Intente comenzar en su lugar con el oscilador armónico simple, considerado como un QFT 1d.
Entonces, siempre que quiera moverme entre segmentos de tiempo, ¿el operador de evolución es solo Exp ( i H ^ t ) , donde expreso el operador hamiltoniano usando a y a ?
Aparte del tema del vacío, otra perspectiva: ¿por qué insistir en tener la simulación cuántica? La mayor parte del comportamiento del campo ya lo obtendrá en la teoría clásica del campo (es decir, cualquier diagrama de Feynman a nivel de árbol).

Respuestas (1)

Bueno, creo que antes que nada, debes entender que la razón por la que puedes descomponer el campo libre en ondas planas es que las ecuaciones de movimiento son lineales. En caso de interacción, las ecuaciones son movimientos no lineales, por lo que cualquier combinación lineal de sus soluciones deja de ser una solución.

En segundo lugar, sobre tu segunda pregunta: depende de la representación: en la representación de Heisenberg los operadores se involucran en el tiempo, en Schroedinger, no evolucionan, pero el estado evoluciona. En QFT, en caso de interacción distinta de cero, la forma más útil es trabajar en la representación de Dirac.

La relación de conmutación que escribió (tenga cuidado, debe tomarse en tiempos iguales, sin la función delta como escribió) se mantiene para tiempos iguales en la representación de Heisenberg y para cualquier momento en la de Schroedinger.

Pero dime, no entiendo, ¿qué quieres decir con 'simulación'? ¿Qué quieres conseguir?

Gracias. Quiero escribir un programa que evolucione el sistema en el tiempo y me muestre cómo se comporta (es decir, cuáles son las probabilidades de diferencias en los números de partículas, etc.).
Para encontrar probabilidades debes trabajar con las funciones de Green. En el caso de campo libre, tal probabilidad es solo un propagador de Feynman. Pero si tiene una interacción, esos propagadores se modifican y estas modificaciones se pueden obtener con la teoría de la perturbación. Entonces creo que puedes hacer tales simulaciones solo dentro de un orden dado de perturbación.
Veo. Pensé que podría haber una forma general, sin la necesidad de una solución de serie perturbativa. De la misma manera, cuando estoy en QM ordinario, solo puedo usar mi i H ^ t 1 i H ^ t y evolucionar el sistema paso a paso, incluso sin conocer la solución real a H ^ .
Eche un vistazo a la QCD de celosía y la teoría de calibre de celosía, parece que esa es la forma popular de simular de una manera no perturbativa. Allí parece que realmente no "pasa el tiempo" nada, sino que genera configuraciones 4D estocásticamente, las pesa y suma sus amplitudes. Sin embargo, sería genial si hubiera otra forma (tratable) de hacer esto numéricamente.