Vamos considerar um sistema que é a combinação de dois sistemas com
spin. Em cada um desses sistemas usaremos como base os dois estados
próprios da matriz :
. Para distinguir os
operadores que atuam no primeiro sistema dos que atuam no segundo
sistema, usaremos índices 1 e 2. Assim por exemplo, os operadores de
spin no primeiro sistema são ,
e , e os operadores de spin
no segundo sistema são ,
e . Ambos são representados
pelas matrizes de Pauli.
O sistema combinado, de dimensão 4, é o produto externo dos
dois espaços de dimensão 2. A base que usaremos nesse espaço é a combinação
das bases dos dois sistemas, representada por:
(7.1)
Cada ket é o produto externo
de um ket da base do
primeiro sistema e um ket da base do segundo sistema. O produto
interno entre dois desses kets calcula-se da forma seguinte:
(7.2)
Como tal, a base do sistema combinado é também uma base ortonormal:
(7.3)
Um operador linear nesse espaço de dimensão 4 é definido pelo seu
resultado quando atua nos 4 elementos da base (7.1). Em
particular, um operador escrito como ,
corresponde a dois operadores no espaço de dimensão 2; o primeiro
operador, , atua na primeira parte do ket
, e o segundo operador,
, atua na segunda parte. Dois exemplos são os seguintes:
(7.4)
Um ket qualquer no espaço dos dois spins pode ser escrito como
combinação geral da base (7.1):
(7.5)
com quatro componentes que podem ser quaisquer
números complexos.
O módulo ao quadrado de cada um desses números,
, é a probabilidade de se obterem os valores
e na medição simultânea das componentes dos spins dos dois
sistemas. Após esse resultado, o estado colapsa para
.
A probabilidade de obter, por exemplo, o resultado quando apenas
a componente do spin do primeiro sistema for medida, seria
, e nesse caso o sistema
colapsava para as duas componentes em que aparece na primeira
posição; esse estado, normalizado, seria:
(7.6)
7.2. Estados independentes
Se o estado do primeiro sistema for e o estado do segundo
sistema for , cada um desses estados pode ser escrito em
função das componentes na base do respetivo espaço de dimensão 2:
(7.7)
E a combinação desses dois estados conduz ao seguinte estado no espaço
combinado dos dois spins:
(7.8)
Trata-se de um caso particular do estado geral (7.5),
com . Dado um ket geral, escrito na
forma (7.5), podemos determinar se corresponde ao
produto externo de dois estados independentes, se as quatro
componentes verificam as seguintes duas condições:
(7.9)
A primeira expressão é igual à relação entre
as componentes do estado do primeiro sistema, e a segunda expressão é
a relação entre as componentes do estado do
segundo sistema. Com essas relações e a condição de que os estados
estejam normalizados, determinam-se cada um dos estados
independentes.
7.3. Estados entrelaçados
Quando alguma das duas condições (7.9), ou as duas,
não forem verdadeiras, é impossível escrever o estado como o produto
externo de dois estados independentes. Nesse caso o estado é
designado por entrelaçado. Um exemplo são os seguintes 4
estados:
(7.10)
(7.11)
(7.12)
(7.13)
Por exemplo, no caso de , o quociente
é igual a infinito, enquanto que
é igual a zero. A designação S e
T é habitual. S vem do inglês singlet e T do inglês
triplet.
Quando o estado do sistema combinado é entrelaçado, nada pode ser concluído
sobre o estado de cada sistema por separado. Mas a medição do spin de
um dos sistemas permite concluir com que spin ficará o outro
sistema. Por exemplo, se o estado do sistema combinado for o ket da
equação (7.10) e medirmos a componente do spin do
primeiro sistema obtendo o resultado , o estado colapsa para
e podemos concluir que a
componente do spin do segundo sistema é igual a .
Os quatro estados , ,
e são ortogonais entre si e
têm norma igual a 1. Como tal, constituem uma base ortonormal do
espaço dos dois spins combinados. Todos os elementos da base são
estados entrelaçados, mas obviamente algumas combinações lineares
deles conduzem a estados não entrelaçados.
7.4. Valores esperados do spin
O resultado de aplicar o operador no estado
(7.8) é:
(7.14)
e, multiplicando pelo bra correspondente ao ket
(7.8), obtém-se o valor esperado de
nesse estado:
(7.15)
onde foi usada a condição de normalizaçao de ,
nomeadamente, .
De forma análoga, aplicando no estado
(7.8) obtém-se:
(7.16)
E o valor esperado de nesse estado é:
(7.17)
Já no caso do operador ,
(7.18)
E o valor esperado de é:
(7.19)
Os resultados (7.15), (7.17) e
(7.19) mostram que os valores esperados das
componentes do spin do primeiro sistema são independentes do estado do
segundo sistema.
A soma dos quadrados dos valores esperados dos três operadores de spin
é:
(7.20)
Dependendo dos valores das componentes e o
valor esperado do vetor spin terá diferentes componentes , e
, mas o seu módulo será sempre igual a 1.
Vejamos agora como será o valor esperado do spin do primeiro
sistema, se o estado combinado dos dois sistemas for um estado
entrelaçado. Por exemplo, se o estado for o ket da equação
(7.10), os valores esperados das três componentes do spin
do primeiro sistema serão:
(7.21)
(7.22)
(7.23)
O valor esperado de cada uma das três componentes é nulo, e o valor
esperado do vetor é também nulo. O mesmo acontece se o estado for
qualquer outro dos estados entrelaçados ,
ou .
Aplicando simultaneamente os operadores e
, ao estado (7.10) obtém-se:
(7.24)
isto é, é vetor próprio de
com valor próprio . A
medição simultânea da componente do spin dos dois sistemas dá
metade das vezes para o primeiro sistema e para o segundo
sistema, e a outra metade das vezes dá para o primeiro sistema e
para o segundo sistema. O produto dos resultados obtidos para os dois
sistemas é sempre .
O mesmo resultado obtém-se para o estado , que também é
vetor próprio de com valor
próprio . Já e são vetores próprios
de com valor próprio . A
medição da componente dos spins dos dois sistemas dá sempre o
mesmo resultado nos dois sistemas; metade das vezes obtém-se em
ambos sistemas, e a outra metade das vezes obtém-se nos dois.
Esta propriedade dos estados entrelaçados é usada em criptografia
quântica e em teleportação (envio de informação entre locais
remotos, de forma instantânea).
7.5. Representação matricial
Os kets no espaço de dimensão 4 podem ser representados por matrizes
com uma coluna e quatro linhas, que são as quatro componentes do ket
na base usada. O respetivo bra será uma matriz de uma linha e quatro
colunas, em que cada coluna é o conjugado complexo da respetiva
componente:
(7.25)
Se as matrizes de dois operadores e que
atuam em cada um dos sistemas por separado são:
(7.26)
O efeito do produto externo entre esses
operadores, num ket do espaço combinado é o de multiplicar a matriz do
ket, à esquerda, pela matriz:
(7.27)
Exercícios
7.1
O estado de um sistema de dois spins é:
Mostre que pode ser escrito como produto externo de dois estados
independentes dos dois spins, e encontre cada um desses dois
estados.
Resolução. As quatro componentes do ket são,
e as relações entre elas são:
Como tal, o ket pode ser escrito como a combinação de dois kets
e , com relação entre as suas componentes:
e para que esses dois kets estejam normalizados, é necessário que:
e os dois kets são:
7.2
O estado de um sistema de dois spins é o mesmo do exercício
anterior. Qual é a probabilidade de obter o valor quando for
medida a componente do spin do primeiro sistema? Imediatamente
após esse resultado, qual seria o estado do sistema?
Resolução. A probabilidade é igual à soma dos quadrados dos
módulos das componentes onde aparece na primeira
posição:
Observe-se que, tal como foi demostrado no exercício anterior, o
estado deste sistema combinado é o produto externo dos estados
independentes dos dois sistemas. Como tal, a probabilidade também
podia ter sido calculada como a probabilidade de obter o resultado
no estado do primeiro sistema.
Após a medição, o estado colapsa para as duas primeiras componentes do
estado . Normalizando o estado, o resultado fica:
Este estado é equivalente a qualquer outro obtido multiplicando por um
número complexo de módulo 1. Para comparar com o resultado do problema
anterior, multiplicaremos por para obter:
que é igual ao produto externo de com o estado
obtido no problema anterior:
Isto mostra que outra forma de ter obtido o resultado consiste em
colapsar o estado do primeiro sistema para , e
calcular o produto externo com o estado do segundo sistema, que
permanece inalterado.
7.3
O estado combinado de dois sistemas com spin é:
Encontre os estados e de cada um dos
sistemas.
Resolução. Comparando com a expressão do produto externo de
dois kets, temos:
E confirma-se que:
Que implica,
Como a norma de é 1, as normas de e
também deverão ser 1, para que o seu produto externo seja
igual a . Como tal,
e podemos escolher:
que conduz a:
7.4
é o estado combinado de dois
sistemas com estados e , cada um deles num
espaço vetorial de dimensão 2, e é o estado
combinado dos dois estados e , nos
mesmos dois espaços vetoriais de dimensão 2. Demonstre que o produto
interno entre e , no espaço
de dimensão 4, é igual ao produto dos dois produtos internos nos
espaços de dimensão 2:
Resolução. Usando a representação matricial,
E o produto desses dois resultados é:
Já o produto interno entre os kets e
é:
Que são os mesmos quatro termos obtidos para
.
7.5
O estado de um sistema, em função dos vetores próprios de
, é:
Calcule o valor esperado do operador:
Resolução. Método 1. O valor esperado de
é:
E, tendo em conta que e
são as duas colunas da matriz
,
e o valor esperado de é:
Finalmente, o valor esperado de é:
Método 2. A matriz do operador é:
E o seu valor esperado é igual a:
Método 3. É possível encontrar os valores próprios
do operador , e os
respectivos vetores próprios e
(normalizados), e a seguir calcular o seu valor esperado como:
onde as probabilidades e são os quadrados dos módulos das
componentes do estado na base dos vetores próprios
e :
mas este método requer muito mais contas do que os dois métodos
anteriores.