Введение

Объекты, подобные распределениям вероятностей, нарушающие сигма-аддитивность; полезны в вычислительной физике.
Распределение квазивероятностей – это математический объект, схожий с распределением вероятностей, но ослабляющий некоторые аксиомы теории вероятностей Колмогорова. Квазивероятности обладают рядом общих свойств с обычными вероятностями, важнейшим из которых является возможность вычисления математических ожиданий относительно весов распределения. Однако они могут нарушать аксиому сигма-аддитивности: интегрирование по ним не обязательно дает вероятности взаимоисключающих состояний. Более того, распределения квазивероятностей также имеют области отрицательной плотности вероятности, что, контринтуитивно, противоречит первой аксиоме. Распределения квазивероятностей естественно возникают при изучении квантовой механики в фазовом пространстве, что обычно используется в квантовой оптике, временном и частотном анализе и других областях.

Введение

В наиболее общей форме динамика квантово-механической системы определяется мастер-уравнением в гильбертовом пространстве: уравнением движения для оператора плотности (обычно записываемого как ρ) системы. Оператор плотности определяется относительно полной ортонормальной базы. Хотя возможно напрямую интегрировать это уравнение для очень малых систем (т. е., систем с небольшим числом частиц или степеней свободы), это быстро становится неразрешимым для больших систем. Однако можно доказать, что оператор плотности всегда может быть записан в диагональной форме, при условии, что он относится к переполненной (сверхполной) основе. Когда оператор плотности представлен в такой переполненной основе, он может быть записан таким образом, который больше напоминает обычную функцию, ценой того, что функция обладает свойствами квазивероятностного распределения. Эволюция системы затем полностью определяется эволюцией функции квазивероятностного распределения. Когерентные состояния, т. е. собственные правые состояния оператора уничтожения a, служат переполненной основой в описанной выше конструкции. По определению, когерентные состояния обладают следующим свойством, а также некоторыми другими интересными свойствами. Например, никакие два когерентных состояния не являются ортогональными. Действительно, если |α⟩ и |β⟩ – пара когерентных состояний, то

Отметим, что эти состояния, однако, правильно нормированы: ⟨α|α⟩ = 1. В силу полноты базиса состояний Фока, выбор базиса когерентных состояний должен быть переполненным (сверхполным). Нажмите, чтобы увидеть неформальное доказательство. Доказательство переполненности когерентных состояний. Интегрирование по комплексной плоскости может быть записано в полярных координатах, где обмен суммой и интегралом допустим, что приводит к простому интегральному выражению для гамма-функции:

Очевидно, что можно охватить гильбертово пространство, записав состояние как

С другой стороны, несмотря на правильную нормализацию состояний, фактор π > 1 доказывает, что эта база является переполненной. Однако в базисе когерентных состояний всегда возможно выражение, связанное с симметричным упорядочением операторов. В квантовой оптике, в частности, операторы, представляющие интерес, особенно оператор числа частиц, часто естественно выражаются в нормальном порядке. В этом случае соответствующее представление фазового пространства является представлением Глаубера — Сударшана P. Квазивероятностная природа этих распределений фазового пространства лучше всего проявляется в представлении P благодаря следующему ключевому утверждению:

Это широкое утверждение не работает в других представлениях. Например, функция Вигнера состояния ЭПР положительно определена, но не имеет классического аналога. Помимо представлений, определенных выше, существует множество других квазивероятностных распределений, возникающих в альтернативных представлениях фазового пространства. Другое популярное представление – представление Хусими Q, которое полезно, когда операторы находятся в антинормальном порядке. В последнее время положительное представление P и более широкий класс обобщенных представлений P использовались для решения сложных задач в квантовой оптике. Все они эквивалентны и могут быть преобразованы друг в друга, а именно, функция распределения классов Коэна.