Introdução à Mecânica Quântica

Jaime E. Villate.
Universidade do Porto, Portugal, 2026.

7. Combinação de spins

7.1. Produto externo de espaços vetoriais

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 σ^z\hat{\mathrm{\mathrm{\sigma} }}_z: {|z+,|z}\{|\mathrm{z }_+\rangle,|\mathrm{z }_-\rangle\}. 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 σ^1x\hat{\mathrm{\mathrm{\sigma} }}_{1x}, σ^1y\hat{\mathrm{\mathrm{\sigma} }}_{1y} e σ^1z\hat{\mathrm{\mathrm{\sigma} }}_{1z}, e os operadores de spin no segundo sistema são σ^2x\hat{\mathrm{\mathrm{\sigma} }}_{2x}, σ^2y\hat{\mathrm{\mathrm{\sigma} }}_{2y} e σ^2z\hat{\mathrm{\mathrm{\sigma} }}_{2z}. 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:

{|z+,z+,|z+,z,|z,z+,|z,z}\displaystyle \{|\mathrm{z }_+,\mathrm{z_+}\rangle,|\mathrm{z }_+,\mathrm{z_-}\rangle,|\mathrm{z_-},\mathrm{z_+}\rangle,|\mathrm{z_-},\mathrm{z_-}\rangle\}
(7.1)

Cada ket |zj,zk|\mathrm{z_j},\mathrm{z_k}\rangle é o produto externo |zj|zk|\mathrm{z }_j\rangle\otimes|\mathrm{z }_k\rangle 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:

zj,zk|zl,zm=zj|zlzk|zm\displaystyle \langle \mathrm{z_j},\mathrm{z_k}|\mathrm{z_l},\mathrm{z_m}\rangle=\langle \mathrm{z_j}|\mathrm{z_l}\rangle\langle \mathrm{z_k}|\mathrm{z_m}\rangle
(7.2)

Como tal, a base do sistema combinado é também uma base ortonormal:

zj,zk|zl,zm=δjlδkm(j,k,l,m=+,)\displaystyle \langle \mathrm{z }_j,\mathrm{z }_k|\mathrm{z }_l,\mathrm{z }_m\rangle=\delta_{jl}\delta_{km}\qquad(j,k,l,m=+,-)
(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 Ω^1Λ^2\hat{\mathrm{\mathrm{\Omega} }}_1\hat{\mathrm{\mathrm{\Lambda} }}_2, corresponde a dois operadores no espaço de dimensão 2; o primeiro operador, Ω^\hat{\mathrm{\mathrm{\Omega} }}, atua na primeira parte do ket |zj,zk|\mathrm{z_j},\mathrm{z_k}\rangle, e o segundo operador, Λ^\hat{\mathrm{\mathrm{\Lambda} }}, atua na segunda parte. Dois exemplos são os seguintes:

σ^1zσ^2z|zj,zk=jk|zj,zkσ^1xσ^2y|zj,zk=ki|zj,zk\displaystyle \hat{\mathrm{\mathrm{\sigma} }}_{1z}\hat{\mathrm{\mathrm{\sigma} }}_{2z}|\mathrm{z }_j,\mathrm{z }_k\rangle=jk|\mathrm{z }_j,\mathrm{z }_k\rangle\qquad\hat{\mathrm{\mathrm{\sigma} }}_{1x}\hat{\mathrm{\mathrm{\sigma} }}_{2y}|\mathrm{z }_j,\mathrm{z }_k\rangle=k\,\mathrm{i }|\mathrm{z }_{-j},\mathrm{z }_{-k}\rangle
(7.4)

Um ket qualquer no espaço dos dois spins pode ser escrito como combinação geral da base (7.1):

|Υ=Υ++|z+,z++Υ+|z+,z+Υ+|z,z++Υ|z,z\displaystyle |\mathrm{\Upsilon}\rangle=\Upsilon_{++}|\mathrm{z }_{+},\mathrm{z }_{+}\rangle+\Upsilon_{+-}|\mathrm{z }_{+},\mathrm{z }_{-}\rangle+\Upsilon_{-+}|\mathrm{z }_{-},\mathrm{z }_{+}\rangle+\Upsilon_{--}|\mathrm{z }_{-},\mathrm{z }_{-}\rangle
(7.5)

com quatro componentes Υjk\Upsilon_{jk} que podem ser quaisquer números complexos.

O módulo ao quadrado de cada um desses números, |Υjk|2|\Upsilon_{jk}|^2, é a probabilidade de se obterem os valores jj e kk na medição simultânea das componentes zz dos spins dos dois sistemas. Após esse resultado, o estado |Υ|\mathrm{\Upsilon}\rangle colapsa para |zj,zk|\mathrm{z }_j,\mathrm{z }_k\rangle.

A probabilidade de obter, por exemplo, o resultado 1-1 quando apenas a componente zz do spin do primeiro sistema for medida, seria |Υ+|2+|Υ|2|\Upsilon_{-+}|^2+|\Upsilon_{--}|^2, e nesse caso o sistema colapsava para as duas componentes em que aparece zz_- na primeira posição; esse estado, normalizado, seria:

Υ+|z,z++Υ|z,z|Υ+|2+|Υ|2\displaystyle \dfrac{\Upsilon_{-+}|\mathrm{z }_{-},\mathrm{z }_{+}\rangle+\Upsilon_{--}|\mathrm{z }_{-},\mathrm{z }_{-}\rangle}{\sqrt{|\Upsilon_{-+}|^2+|\Upsilon_{--}|^2}}
(7.6)

7.2. Estados independentes

Se o estado do primeiro sistema for |Ψ|\mathrm{\Psi}\rangle e o estado do segundo sistema for |Φ|\mathrm{\Phi}\rangle, cada um desses estados pode ser escrito em função das componentes na base do respetivo espaço de dimensão 2:

|Ψ=Ψ+|z++Ψ|z+|Φ=Φ+|z++Φ|z+\displaystyle |\mathrm{\Psi}\rangle=\Psi_{+}|\mathrm{z }_{+}\rangle+\Psi_{-}|\mathrm{z }_{+}\rangle\qquad|\mathrm{\Phi}\rangle=\Phi_{+}|\mathrm{z }_{+}\rangle+\Phi_{-}|\mathrm{z }_{+}\rangle
(7.7)

E a combinação desses dois estados conduz ao seguinte estado no espaço combinado dos dois spins:

|Ψ,Φ=Ψ+Φ+|z+,z++Ψ+Φ|z+,z+ΨΦ+|z,z+\displaystyle |\mathrm{\Psi},\mathrm{\Phi}\rangle=\Psi_{+}\Phi_{+}|\mathrm{z }_{+},\mathrm{z }_{+}\rangle+\Psi_{+}\Phi_{-}|\mathrm{z }_{+},\mathrm{z }_{-}\rangle+\Psi_{-}\Phi_{+}|\mathrm{z }_{-},\mathrm{z }_{+}\rangle +ΨΦ|z,z+\Psi_{-}\Phi_{-}|\mathrm{z }_{-},\mathrm{z }_{-}\rangle
(7.8)

Trata-se de um caso particular do estado geral (7.5), com Υjk=ΨjΦk\Upsilon_{jk}=\Psi_{j}\Phi_{k}. 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:

Υ++Υ+=Υ+ΥΥ++Υ+=Υ+Υ\displaystyle \dfrac{\Upsilon_{++}}{\Upsilon_{-+}}=\dfrac{\Upsilon_{+-}}{\Upsilon_{--}}\qquad\qquad\dfrac{\Upsilon_{++}}{\Upsilon_{+-}}=\dfrac{\Upsilon_{-+}}{\Upsilon_{--}}
(7.9)

A primeira expressão é igual à relação Ψ+/Ψ\Psi_{+}/\Psi_{-} entre as componentes do estado do primeiro sistema, e a segunda expressão é a relação Φ+/Φ\Phi_{+}/\Phi_{-} 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:

|S=12(|z+,z|z,z+)\displaystyle |\mathrm{S }\rangle=\dfrac{1}{\sqrt{2}}\left(|\mathrm{z }_{+},\mathrm{z }_{-}\rangle-|\mathrm{z }_{-},\mathrm{z }_{+}\rangle\right)
(7.10)
|T1=12(|z+,z+|z,z+)\displaystyle |\mathrm{T }_1\rangle=\dfrac{1}{\sqrt{2}}\left(|\mathrm{z }_{+},\mathrm{z }_{-}\rangle+|\mathrm{z }_{-},\mathrm{z }_{+}\rangle\right)
(7.11)
|T2=12(|z+,z++|z,z)\displaystyle |\mathrm{T }_2\rangle=\dfrac{1}{\sqrt{2}}\left(|\mathrm{z }_{+},\mathrm{z }_{+}\rangle+|\mathrm{z }_{-},\mathrm{z }_{-}\rangle\right)
(7.12)
|T3=12(|z+,z+|z,z)\displaystyle |\mathrm{T }_3\rangle=\dfrac{1}{\sqrt{2}}\left(|\mathrm{z }_{+},\mathrm{z }_{+}\rangle-|\mathrm{z }_{-},\mathrm{z }_{-}\rangle\right)
(7.13)

Por exemplo, no caso de |T2|\mathrm{T }_2\rangle, o quociente Υ++/Υ+\Upsilon_{++}/\Upsilon_{-+} é igual a infinito, enquanto que Υ+/Υ\Upsilon_{+-}/\Upsilon_{--} 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 zz do spin do primeiro sistema obtendo o resultado +1+1, o estado colapsa para |z+,z|\mathrm{z }_{+},\mathrm{z }_{-}\rangle e podemos concluir que a componente zz do spin do segundo sistema é igual a 1-1.

Os quatro estados |S|\mathrm{S }\rangle, |T1|\mathrm{T }_1\rangle, |T2|\mathrm{T }_2\rangle e |T3|\mathrm{T }_3\rangle 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 σ^1x\hat{\mathrm{\mathrm{\sigma} }}_{1x} no estado (7.8) é:

σ^1x|Ψ,Φ=Ψ+Φ+|z,z++Ψ+Φ|z,z+ΨΦ+|z+,z+\displaystyle \hat{\mathrm{\mathrm{\sigma} }}_{1x}|\mathrm{\Psi},\mathrm{\Phi}\rangle=\Psi_{+}\Phi_{+}|\mathrm{z }_{-},\mathrm{z }_{+}\rangle+\Psi_{+}\Phi_{-}|\mathrm{z }_{-},\mathrm{z }_{-}\rangle+\Psi_{-}\Phi_{+}|\mathrm{z }_{+},\mathrm{z }_{+}\rangle +ΨΦ|z+,z+\Psi_{-}\Phi_{-}|\mathrm{z }_{+},\mathrm{z }_{-}\rangle
(7.14)

e, multiplicando pelo bra correspondente ao ket (7.8), obtém-se o valor esperado de σ^x\hat{\mathrm{\mathrm{\sigma} }}_x nesse estado:

σ^1x=Ψ+*Ψ+Ψ+Ψ*\displaystyle \langle \hat{\mathrm{\mathrm{\sigma} }}_{1x}\rangle=\Psi_{+}^*\Psi_{-}+\Psi_{+}\Psi_{-}^*
(7.15)

onde foi usada a condição de normalizaçao de |Φ|\mathrm{\Phi}\rangle, nomeadamente, Φ+*Φ++Φ*Φ=1\Phi_{+}^*\Phi_{+}+\Phi_{-}^*\Phi_{-}=1.

De forma análoga, aplicando σ^1y\hat{\mathrm{\mathrm{\sigma} }}_{1y} no estado (7.8) obtém-se:

σ^1y|Ψ,Φ=iΨ+Φ+|z,z++iΨ+Φ|z,ziΨΦ+|z+,z+\displaystyle \hat{\mathrm{\mathrm{\sigma} }}_{1y}|\mathrm{\Psi},\mathrm{\Phi}\rangle=\mathrm{i }\,\Psi_{+}\Phi_{+}|\mathrm{z }_{-},\mathrm{z }_{+}\rangle+\mathrm{i }\,\Psi_{+}\Phi_{-}|\mathrm{z }_{-},\mathrm{z }_{-}\rangle-\mathrm{i }\,\Psi_{-}\Phi_{+}|\mathrm{z }_{+},\mathrm{z }_{+}\rangle iΨΦ|z+,z-\mathrm{i }\,\Psi_{-}\Phi_{-}|\mathrm{z }_{+},\mathrm{z }_{-}\rangle
(7.16)

E o valor esperado de σ^y\hat{\mathrm{\mathrm{\sigma} }}_y nesse estado é:

σ^1y=iΨ+*Ψ+iΨ+Ψ*\displaystyle \langle \hat{\mathrm{\mathrm{\sigma} }}_{1y}\rangle=-\mathrm{i }\,\Psi_{+}^*\Psi_{-}+\mathrm{i }\,\Psi_{+}\Psi_{-}^*
(7.17)

Já no caso do operador σ^1z\hat{\mathrm{\mathrm{\sigma} }}_{1z},

σ^1z|Ψ,Φ=Ψ+Φ+|z+,z++Ψ+Φ|z+,zΨΦ+|z,z+\displaystyle \hat{\mathrm{\mathrm{\sigma} }}_{1z}|\mathrm{\Psi},\mathrm{\Phi}\rangle=\Psi_{+}\Phi_{+}|\mathrm{z }_{+},\mathrm{z }_{+}\rangle+\Psi_{+}\Phi_{-}|\mathrm{z }_{+},\mathrm{z }_{-}\rangle-\Psi_{-}\Phi_{+}|\mathrm{z }_{-},\mathrm{z }_{+}\rangle ΨΦ|z,z-\Psi_{-}\Phi_{-}|\mathrm{z }_{-},\mathrm{z }_{-}\rangle
(7.18)

E o valor esperado de σ^z\hat{\mathrm{\mathrm{\sigma} }}_z é:

σ^1z=Ψ+*Ψ+Ψ*Ψ\displaystyle \langle \hat{\mathrm{\mathrm{\sigma} }}_{1z}\rangle=\Psi_{+}^*\Psi_{+}-\Psi_{-}^*\Psi_{-}
(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:

σ^1x2+σ^1y2+σ^1z2=(Ψ+*Ψ+Ψ+Ψ*)\displaystyle \langle \hat{\mathrm{\mathrm{\sigma} }}_{1x}\rangle^2+\langle \hat{\mathrm{\mathrm{\sigma} }}_{1y}\rangle^2+\langle \hat{\mathrm{\mathrm{\sigma} }}_{1z}\rangle^2=\left(\Psi_{+}^*\Psi_{-}+\Psi_{+}\Psi_{-}^*\right)
(Ψ+*ΨΨ+Ψ*)2+(Ψ+*Ψ+ΨΨ*)2=1\qquad\displaystyle -\left(\Psi_{+}^*\Psi_{-}-\Psi_{+}\Psi_{-}^*\right)^2+\left(\Psi_{+}^*\Psi_{+}-\Psi_{-}\Psi_{-}^*\right)^2=1
(7.20)

Dependendo dos valores das componentes Ψ+\Psi_{+} e Ψ\Psi_{-} o valor esperado do vetor spin terá diferentes componentes xx, yy e zz, 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 |S|\mathrm{S }\rangle da equação (7.10), os valores esperados das três componentes do spin do primeiro sistema serão:

σ^1x|S=12(|z,z|z+,z+)σ^1x=0\displaystyle \hat{\mathrm{\mathrm{\sigma} }}_{1x}|\mathrm{S }\rangle=\dfrac{1}{\sqrt{2}}\left(|\mathrm{z }_{-},\mathrm{z }_{-}\rangle-|\mathrm{z }_{+},\mathrm{z }_{+}\rangle\right)\quad\Longrightarrow\quad\langle \hat{\mathrm{\mathrm{\sigma} }}_{1x}\rangle=0
(7.21)
σ^1y|S=i2(|z,z+|z+,z+)σ^1y=0\displaystyle \hat{\mathrm{\mathrm{\sigma} }}_{1y}|\mathrm{S }\rangle=\dfrac{\mathrm{i }}{\sqrt{2}}\left(|\mathrm{z }_{-},\mathrm{z }_{-}\rangle+|\mathrm{z }_{+},\mathrm{z }_{+}\rangle\right)\quad\Longrightarrow\quad\langle \hat{\mathrm{\mathrm{\sigma} }}_{1y}\rangle=0
(7.22)
σ^1z|S=12(|z+,z+|z,z+)σ^1z=0\displaystyle \hat{\mathrm{\mathrm{\sigma} }}_{1z}|\mathrm{S }\rangle=\dfrac{1}{\sqrt{2}}\left(|\mathrm{z }_{+},\mathrm{z }_{-}\rangle+|\mathrm{z }_{-},\mathrm{z }_{+}\rangle\right)\quad\Longrightarrow\quad\langle \hat{\mathrm{\mathrm{\sigma} }}_{1z}\rangle=0
(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 |T1|\mathrm{T }_1\rangle, |T2|\mathrm{T }_2\rangle ou |T3|\mathrm{T }_3\rangle.

Aplicando simultaneamente os operadores σ^1z\hat{\mathrm{\mathrm{\sigma} }}_{1z} e σ^2z\hat{\mathrm{\mathrm{\sigma} }}_{2z}, ao estado (7.10) obtém-se:

σ^1zσ^2z|S=12(|z+,z+|z,z+)=|S\displaystyle \hat{\mathrm{\mathrm{\sigma} }}_{1z}\hat{\mathrm{\mathrm{\sigma} }}_{2z}|\mathrm{S }\rangle=\dfrac{1}{\sqrt{2}}\left(-|\mathrm{z }_{+},\mathrm{z }_{-}\rangle+|\mathrm{z }_{-},\mathrm{z }_{+}\rangle\right)=-|\mathrm{S }\rangle
(7.24)

isto é, |S|\mathrm{S }\rangle é vetor próprio de σ^1zσ^2z\hat{\mathrm{\mathrm{\sigma} }}_{1z}\hat{\mathrm{\mathrm{\sigma} }}_{2z} com valor próprio 1-1. A medição simultânea da componente zz do spin dos dois sistemas dá metade das vezes 1-1 para o primeiro sistema e +1+1 para o segundo sistema, e a outra metade das vezes dá 11 para o primeiro sistema e 1-1 para o segundo sistema. O produto dos resultados obtidos para os dois sistemas é sempre 1-1.

O mesmo resultado obtém-se para o estado T1\mathrm{T }_1, que também é vetor próprio de σ^1zσ^2z\hat{\mathrm{\mathrm{\sigma} }}_{1z}\hat{\mathrm{\mathrm{\sigma} }}_{2z} com valor próprio 1-1. Já T2\mathrm{T }_2 e T3\mathrm{T }_3 são vetores próprios de σ^1zσ^2z\hat{\mathrm{\mathrm{\sigma} }}_{1z}\hat{\mathrm{\mathrm{\sigma} }}_{2z} com valor próprio +1+1. A medição da componente zz dos spins dos dois sistemas dá sempre o mesmo resultado nos dois sistemas; metade das vezes obtém-se +1+1 em ambos sistemas, e a outra metade das vezes obtém-se 1-1 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:

|Υ=[Υ++Υ+Υ+Υ]Υ|=[Υ++*Υ+*Υ+*Υ+*]\displaystyle |\mathrm{\Upsilon}\rangle=\begin{bmatrix}\Upsilon_{++}\\\Upsilon_{+-}\\\Upsilon_{-+}\\\Upsilon_{--}\end{bmatrix}\qquad\qquad\langle \mathrm{\Upsilon}|=\left[\Upsilon_{++}^*\;\Upsilon_{+-}^*\;\Upsilon_{-+}^*\;\Upsilon_{+-}^*\right]
(7.25)

Se as matrizes de dois operadores Ω^\hat{\mathrm{\mathrm{\Omega} }} e Λ^\hat{\mathrm{\mathrm{\Lambda} }} que atuam em cada um dos sistemas por separado são:

Ω^=[Ω11Ω12Ω21Ω22]Λ^=[Λ11Λ12Λ21Λ22]\displaystyle \hat{\mathrm{\mathrm{\Omega} }}=\begin{bmatrix}\Omega_{11}&\Omega_{12}\\\Omega_{21}&\Omega_{22}\end{bmatrix}\qquad\hat{\mathrm{\mathrm{\Lambda} }}=\begin{bmatrix}\Lambda_{11}&\Lambda_{12}\\\Lambda_{21}&\Lambda_{22}\end{bmatrix}
(7.26)

O efeito do produto externo Ω^1Λ^2\hat{\mathrm{\mathrm{\Omega} }}_1\hat{\mathrm{\mathrm{\Lambda} }}_2 entre esses operadores, num ket do espaço combinado é o de multiplicar a matriz do ket, à esquerda, pela matriz:

Ω^1Λ^2=[Ω11Λ11Ω11Λ12Ω12Λ11Ω12Λ12Ω11Λ21Ω11Λ22Ω12Λ21Ω12Λ22Ω21Λ11Ω21Λ12Ω22Λ11Ω22Λ12Ω21Λ21Ω21Λ22Ω22Λ21Ω22Λ22]\displaystyle \hat{\mathrm{\mathrm{\Omega} }}_1\hat{\mathrm{\mathrm{\Lambda} }}_2=\begin{bmatrix}\Omega_{11}\Lambda_{11}&\Omega_{11}\Lambda_{12}&\Omega_{12}\Lambda_{11}&\Omega_{12}\Lambda_{12}\\\Omega_{11}\Lambda_{21}&\Omega_{11}\Lambda_{22}&\Omega_{12}\Lambda_{21}&\Omega_{12}\Lambda_{22}\\\Omega_{21}\Lambda_{11}&\Omega_{21}\Lambda_{12}&\Omega_{22}\Lambda_{11}&\Omega_{22}\Lambda_{12}\\\Omega_{21}\Lambda_{21}&\Omega_{21}\Lambda_{22}&\Omega_{22}\Lambda_{21}&\Omega_{22}\Lambda_{22}\end{bmatrix}
(7.27)

Exercícios

7.1 O estado de um sistema de dois spins é:

|Υ=i10|z+,z+210|z+,z110|z,z+i210|z,z\displaystyle |\mathrm{\Upsilon}\rangle=\dfrac{\mathrm{i }}{\sqrt{10}}|\mathrm{z }_{+},\mathrm{z }_{+}\rangle-\dfrac{2}{\sqrt{10}}|\mathrm{z }_{+},\mathrm{z }_{-}\rangle-\dfrac{1}{\sqrt{10}}|\mathrm{z }_{-},\mathrm{z }_{+}\rangle-\dfrac{\mathrm{i }\,2}{\sqrt{10}}|\mathrm{z }_{-},\mathrm{z }_{-}\rangle

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 |Υ|\mathrm{\Upsilon}\rangle são,

Υ++=i10Υ+=210Υ+=110Υ=i210\displaystyle \Upsilon_{++}=\dfrac{\mathrm{i }}{\sqrt{10}}\quad \Upsilon_{+-}=-\dfrac{2}{\sqrt{10}} \quad \Upsilon_{-+}=-\dfrac{1}{\sqrt{10}} \quad \Upsilon_{--}=-\dfrac{\mathrm{i }\,2}{\sqrt{10}}

e as relações entre elas são:

Υ++Υ+=iΥ+Υ=iΥ++Υ+=i2Υ+Υ=i2\displaystyle \dfrac{\Upsilon_{++}}{\Upsilon_{-+}}=-\mathrm{i } \qquad \dfrac{\Upsilon_{+-}}{\Upsilon_{--}}=-\mathrm{i } \qquad \dfrac{\Upsilon_{++}}{\Upsilon_{+-}}=-\dfrac{\mathrm{i }}{2} \qquad \dfrac{\Upsilon_{-+}}{\Upsilon_{--}}=-\dfrac{\mathrm{i }}{2}

Como tal, o ket pode ser escrito como a combinação de dois kets |Ψ|\mathrm{\Psi}\rangle e |Φ|\mathrm{\Phi}\rangle, com relação entre as suas componentes:

Ψ=iΨ+Φ=2iΦ+\displaystyle \Psi_-=\mathrm{i }\,\Psi_+ \qquad \Phi_-=2\,\mathrm{i }\,\Phi_+

e para que esses dois kets estejam normalizados, é necessário que:

|Ψ+|2+|Ψ|2=2|Ψ+|2=1|Ψ+|=12\displaystyle |\Psi_+|^2+|\Psi_-|^2=2|\Psi_+|^2=1\quad\Longrightarrow\quad|\Psi_+|=\dfrac{1}{\sqrt{2}}
|Φ+|2+|Φ|2=5|Ψ+|2=1|Ψ+|=15\displaystyle |\Phi_+|^2+|\Phi_-|^2=5|\Psi_+|^2=1\quad\Longrightarrow\quad|\Psi_+|=\dfrac{1}{\sqrt{5}}

e os dois kets são:

|Ψ=12(|z++i|z)\displaystyle |\mathrm{\Psi}\rangle=\dfrac{1}{\sqrt{2}}\left(|\mathrm{z }_+\rangle+\mathrm{i }|\mathrm{z }_-\rangle\right)
|Φ=15(|z++i2|z)\displaystyle |\mathrm{\Phi}\rangle=\dfrac{1}{\sqrt{5}}\left(|\mathrm{z }_+\rangle+\mathrm{i }\,2\,|\mathrm{z }_-\rangle\right)

7.2 O estado de um sistema de dois spins é o mesmo do exercício anterior. Qual é a probabilidade de obter o valor +1+1 quando for medida a componente zz 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 z+\mathrm{z }_+ na primeira posição:

P1+=110+410=12\displaystyle \mathrm{P }_{1+}=\dfrac{1}{10}+\dfrac{4}{10}=\dfrac{1}{2}

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 +1+1 no estado |Ψ|\mathrm{\Psi}\rangle do primeiro sistema.

Após a medição, o estado colapsa para as duas primeiras componentes do estado |Υ|\mathrm{\Upsilon}\rangle. Normalizando o estado, o resultado fica:

|Υ=i10|z+,z+210|z+,z110+410=15(i|z+,z+2|z+,z)\displaystyle |\mathrm{\Upsilon}\rangle=\dfrac{\dfrac{\mathrm{i }}{\sqrt{10}}|\mathrm{z }_{+},\mathrm{z }_{+}\rangle-\dfrac{2}{\sqrt{10}}|\mathrm{z }_{+},\mathrm{z }_{-}\rangle}{\sqrt{\dfrac{1}{10}+\dfrac{4}{10}}}=\dfrac{1}{\sqrt{5}}\left(\mathrm{i }\,|\mathrm{z }_{+},\mathrm{z }_{+}\rangle-2\,|\mathrm{z }_{+},\mathrm{z }_{-}\rangle\right)

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 i-\mathrm{i } para obter:

|Υ=15(|z+,z++i2|z+,z)\displaystyle |\mathrm{\Upsilon}\rangle=\dfrac{1}{\sqrt{5}}\left(|\mathrm{z }_{+},\mathrm{z }_{+}\rangle+\mathrm{i }\,2\,|\mathrm{z }_{+},\mathrm{z }_{-}\rangle\right)

que é igual ao produto externo de |z+|\mathrm{z }_+\rangle com o estado |Φ|\mathrm{\Phi}\rangle obtido no problema anterior:

|z+|Φ=15(|z+,z++i2|z+,z)\displaystyle |\mathrm{z }_+\rangle\otimes|\mathrm{\Phi}\rangle=\dfrac{1}{\sqrt{5}}\left(|\mathrm{z }_{+},\mathrm{z }_{+}\rangle+\mathrm{i }\,2\,|\mathrm{z }_{+},\mathrm{z }_{-}\rangle\right)

Isto mostra que outra forma de ter obtido o resultado consiste em colapsar o estado do primeiro sistema para |z+|\mathrm{z }_+\rangle, 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:

|Ψ,Φ=16(2|z+,z++(2+i4)|z+,z+(1+i)|z,z+\displaystyle |\mathrm{\Psi},\mathrm{\Phi}\rangle=\dfrac{1}{6}\left(2\,|\mathrm{z }_+,\mathrm{z }_+\rangle+(2+\mathrm{i }\,4)|\mathrm{z }_+,\mathrm{z }_-\rangle+(1+\mathrm{i })|\mathrm{z }_-,\mathrm{z }_+\rangle\right.+(1+i3)|z,z)\left.+(-1+\mathrm{i }\,3)|\mathrm{z }_-,\mathrm{z }_-\rangle\right)

Encontre os estados |Ψ|\mathrm{\Psi}\rangle e |Φ|\mathrm{\Phi}\rangle de cada um dos sistemas.

Resolução. Comparando com a expressão do produto externo de dois kets, temos:

Ψ+Φ+=26Ψ+Φ=2+i46ΨΦ+=1+i6ΨΦ=1+i36\displaystyle \Psi_+\Phi_+=\dfrac{2}{6}\quad\Psi_+\Phi_-=\dfrac{2+\mathrm{i }\,4}{6}\quad\Psi_-\Phi_+=\dfrac{1+\mathrm{i }}{6}\quad\Psi_-\Phi_-=\dfrac{-1+\mathrm{i }\,3}{6}

E confirma-se que:

ΨΨ+=ΨΦ+Ψ+Φ+=ΨΦΨ+Φ=1+i2ΦΦ+=Ψ+ΦΨ+Φ+=ΨΦΨΦ+=1+i2\displaystyle \dfrac{\Psi_-}{\Psi_+}=\dfrac{\Psi_-\Phi_+}{\Psi_+\Phi_+}=\dfrac{\Psi_-\Phi_-}{\Psi_+\Phi_-}=\dfrac{1+\mathrm{i }}{2}\qquad\dfrac{\Phi_-}{\Phi_+}=\dfrac{\Psi_+\Phi_-}{\Psi_+\Phi_+}=\dfrac{\Psi_-\Phi_-}{\Psi_-\Phi_+}=1+\mathrm{i }\,2

Que implica,

Ψ=1+i2Ψ+|Ψ|2=12|Ψ+|2Φ=(1+i2)Φ+|Ψ|2=5|Ψ+|2\displaystyle \Psi_-=\dfrac{1+\mathrm{i }}{2}\Psi_+\quad|\Psi_-|^2=\dfrac{1}{2}|\Psi_+|^2\quad\Phi_-=(1+\mathrm{i }\,2)\Phi_+\quad|\Psi_-|^2=5|\Psi_+|^2

Como a norma de |Ψ,Φ|\mathrm{\Psi},\mathrm{\Phi}\rangle é 1, as normas de |Ψ|\mathrm{\Psi}\rangle e |Φ|\mathrm{\Phi}\rangle também deverão ser 1, para que o seu produto externo seja igual a |Ψ,Φ|\mathrm{\Psi},\mathrm{\Phi}\rangle. Como tal,

|Ψ+|2+|Ψ|2=32|Ψ+|2=1|Ψ+|=23\displaystyle |\Psi_+|^2+|\Psi_-|^2=\dfrac{3}{2}|\Psi_+|^2=1\qquad\Longrightarrow\qquad|\Psi_+|=\sqrt{\dfrac{2}{3}}
|Φ+|2+|Φ|2=6|Φ+|2=1|Φ+|=16\qquad\displaystyle |\Phi_+|^2+|\Phi_-|^2=6|\Phi_+|^2=1\qquad\Longrightarrow\qquad|\Phi_+|=\dfrac{1}{\sqrt{6}}

e podemos escolher:

Ψ+=23Ψ=1+i6Φ+=16Φ=1+i26\displaystyle \Psi_+=\sqrt{\dfrac{2}{3}}\qquad\quad\Psi_-=\dfrac{1+\mathrm{i }}{\sqrt{6}}\qquad\quad\Phi_+=\dfrac{1}{\sqrt{6}}\qquad\quad\Phi_-=\dfrac{1+\mathrm{i }\,2}{\sqrt{6}}

que conduz a:

|Ψ=16(2|z++(1+i)|z)|Φ=16(|z++(1+i2)|z)\displaystyle |\mathrm{\Psi}\rangle=\dfrac{1}{\sqrt{6}}\left(2\,|\mathrm{z }_+\rangle+(1+\mathrm{i })\,|\mathrm{z }_-\rangle\right)\qquad|\mathrm{\Phi}\rangle=\dfrac{1}{\sqrt{6}}\left(|\mathrm{z }_+\rangle+(1+\mathrm{i }\,2)\,|\mathrm{z }_-\rangle\right)

7.4 |Ψ,Φ|\mathrm{\Psi},\mathrm{\Phi}\rangle é o estado combinado de dois sistemas com estados |Ψ|\mathrm{\Psi}\rangle e |Φ|\mathrm{\Phi}\rangle, cada um deles num espaço vetorial de dimensão 2, e |Υ,ξ|\mathrm{\Upsilon},\mathrm{\xi}\rangle é o estado combinado dos dois estados |Υ|\mathrm{\Upsilon}\rangle e |ξ|\mathrm{\xi}\rangle, nos mesmos dois espaços vetoriais de dimensão 2. Demonstre que o produto interno entre |Ψ,Φ|\mathrm{\Psi},\mathrm{\Phi}\rangle e |Υ,ξ|\mathrm{\Upsilon},\mathrm{\xi}\rangle, no espaço de dimensão 4, é igual ao produto dos dois produtos internos nos espaços de dimensão 2:

Ψ,Φ|Υ,ξ=Ψ|ΥΦ|ξ\displaystyle \langle \mathrm{\Psi},\mathrm{\Phi}|\mathrm{\Upsilon},\mathrm{\xi}\rangle=\langle \mathrm{\Psi}|\mathrm{\Upsilon}\rangle\langle \mathrm{\Phi}|\mathrm{\xi}\rangle

Resolução. Usando a representação matricial,

Ψ|Υ=[Ψ1Ψ2][Υ1Υ2]=Ψ1Υ1+Ψ2Υ2\displaystyle \langle \mathrm{\Psi}|\mathrm{\Upsilon}\rangle=\begin{bmatrix}\Psi_1^\star&\Psi_2^\star\end{bmatrix} \begin{bmatrix}\Upsilon_1\\\Upsilon_2\end{bmatrix}= \Psi_1^\star\Upsilon_1+\Psi_2^\star\Upsilon_2
Φ|ξ=[Φ1Φ2][ξ1ξ2]=Φ1ξ1+Φ2ξ2\displaystyle \langle \mathrm{\Phi}|\mathrm{\xi}\rangle=\begin{bmatrix}\Phi_1^\star&\Phi_2^\star\end{bmatrix} \begin{bmatrix}\xi_1\\\xi_2\end{bmatrix}= \Phi_1^\star\xi_1+\Phi_2^\star\xi_2

E o produto desses dois resultados é:

Ψ|ΥΦ|ξ=Ψ1Υ1Φ1ξ1+Ψ1Υ1Φ2ξ2+Ψ2Υ2Φ1ξ1+Ψ2Υ2Φ2ξ2\displaystyle \langle \mathrm{\Psi}|\mathrm{\Upsilon}\rangle\langle \mathrm{\Phi}|\mathrm{\xi}\rangle= \Psi_1^\star\Upsilon_1\Phi_1^\star\xi_1+ \Psi_1^\star\Upsilon_1\Phi_2^\star\xi_2+ \Psi_2^\star\Upsilon_2\Phi_1^\star\xi_1+ \Psi_2^\star\Upsilon_2\Phi_2^\star\xi_2

Já o produto interno entre os kets |Ψ,Φ|\mathrm{\Psi},\mathrm{\Phi}\rangle e |Υ,ξ|\mathrm{\Upsilon},\mathrm{\xi}\rangle é:

Ψ,Φ|Υ,ξ=[Ψ1Φ1Ψ1Φ2Ψ2Φ1Ψ2Φ2][Υ1ξ1Υ1ξ2Υ2ξ1Υ2ξ2]\displaystyle \langle \mathrm{\Psi},\mathrm{\Phi}|\mathrm{\Upsilon},\mathrm{\xi}\rangle=\begin{bmatrix}\Psi_1^\star\Phi_1^\star\Psi_1^\star\Phi_2^\star\Psi_2^\star\Phi_1^\star\Psi_2^\star\Phi_2^\star\end{bmatrix}\begin{bmatrix}\Upsilon_1\xi_1\Upsilon_1\xi_2\Upsilon_2\xi_1\Upsilon_2\xi_2\end{bmatrix}
=Ψ1Φ1Υ1ξ1+Ψ1Φ2Υ1ξ2+Ψ2Φ1Υ2ξ1+Ψ2Φ2Υ2ξ2\qquad\displaystyle =\Psi_1^\star\Phi_1^\star\Upsilon_1\xi_1+\Psi_1^\star\Phi_2^\star\Upsilon_1\xi_2+\Psi_2^\star\Phi_1^\star\Upsilon_2\xi_1+\Psi_2^\star\Phi_2^\star\Upsilon_2\xi_2

Que são os mesmos quatro termos obtidos para Ψ|ΥΦ|ξ\langle \mathrm{\Psi}|\mathrm{\Upsilon}\rangle\langle \mathrm{\Phi}|\mathrm{\xi}\rangle.

7.5 O estado de um sistema, em função dos vetores próprios de σ^z\hat{\mathrm{\mathrm{\sigma} }}_z, é:

|Ψ=817|z++(129i)17|z\displaystyle |\mathrm{\Psi}\rangle=\dfrac{8}{17}\,|\mathrm{z }_+\rangle+\dfrac{(12-9\,\mathrm{i })}{17}\,|\mathrm{z }_-\rangle

Calcule o valor esperado do operador:

Ω^=3σ^y+2σ^z\displaystyle \hat{\mathrm{\mathrm{\Omega} }}=3\,\hat{\mathrm{\mathrm{\sigma} }}_y+2\,\hat{\mathrm{\mathrm{\sigma} }}_z

Resolução. Método 1. O valor esperado de σ^z\hat{\mathrm{\mathrm{\sigma} }}_z é:

σ^z=|817|2|129i17|2=64289144+81289=161289\displaystyle \langle \hat{\mathrm{\mathrm{\sigma} }}_z\rangle=\left|\dfrac{8}{17}\right|^2-\left|\dfrac{12-9\,\mathrm{i }}{17}\right|^2=\dfrac{64}{289}-\dfrac{144+81}{289}=-\dfrac{161}{289}

E, tendo em conta que σ^y|z+\hat{\mathrm{\mathrm{\sigma} }}_y|\mathrm{z }_+\rangle e σ^y|z\hat{\mathrm{\mathrm{\sigma} }}_y|\mathrm{z }_-\rangle são as duas colunas da matriz σ^y\hat{\mathrm{\mathrm{\sigma} }}_y,

σ^y|Ψ=8i17|z+(12i9)17|z+\displaystyle \hat{\mathrm{\mathrm{\sigma} }}_y|\mathrm{\Psi}\rangle=\dfrac{8\,\mathrm{i }}{17}\,|\mathrm{z }_-\rangle+\dfrac{(-12\,\mathrm{i }-9)}{17}\,|\mathrm{z }_+\rangle

e o valor esperado de σ^y\hat{\mathrm{\mathrm{\sigma} }}_y é:

σ^y=Ψ|σ^y|Ψ=(817)(12i917)+(12+9i17)(8i17)=144289\displaystyle \langle \hat{\mathrm{\mathrm{\sigma} }}_y\rangle=\langle \mathrm{\Psi}|\hat{\mathrm{\mathrm{\sigma} }}_y|\mathrm{\Psi}\rangle=\left(\dfrac{8}{17}\right)\left(\dfrac{-12\,\mathrm{i }-9}{17}\right)+\left(\dfrac{12+9\,\mathrm{i }}{17}\right)\left(\dfrac{8\,\mathrm{i }}{17}\right)=-\dfrac{144}{289}

Finalmente, o valor esperado de Ω^\hat{\mathrm{\mathrm{\Omega} }} é:

Ω^=3σ^z+2σ^y=7542892.609\displaystyle \langle \hat{\mathrm{\mathrm{\Omega} }}\rangle=3\,\langle \hat{\mathrm{\mathrm{\sigma} }}_z\rangle+2\,\langle \hat{\mathrm{\mathrm{\sigma} }}_y\rangle=-\dfrac{754}{289}\approx-2.609

Método 2. A matriz do operador Ω^\hat{\mathrm{\mathrm{\Omega} }} é:

Ω^=[23i3i2]\displaystyle \hat{\mathrm{\mathrm{\Omega} }}=\begin{bmatrix}2&-3\,\mathrm{i }\\3\,\mathrm{i }&-2\end{bmatrix}

E o seu valor esperado é igual a:

Ω^=[81712+9i17][23i3i2][817129i17]\displaystyle \langle \hat{\mathrm{\mathrm{\Omega} }}\rangle=\begin{bmatrix}\dfrac{8}{17}\dfrac{12+9\,\mathrm{i }}{17}\end{bmatrix}\begin{bmatrix}2-3\,\mathrm{i }3\,\mathrm{i }-2\end{bmatrix}\begin{bmatrix}\dfrac{8}{17}\dfrac{12-9\,\mathrm{i }}{17}\end{bmatrix}
=128289216+288i289216288i289450289=754289\qquad\displaystyle =\dfrac{128}{289}-\dfrac{216+288\,\mathrm{i }}{289}-\dfrac{216-288\,\mathrm{i }}{289}-\dfrac{450}{289}=-\dfrac{754}{289}

Método 3. É possível encontrar os valores próprios {Ω1,Ω2}\{\Omega_1,\Omega_2\} do operador Ω^\hat{\mathrm{\mathrm{\Omega} }}, e os respectivos vetores próprios |Ω1|\mathrm{\Omega}_1\rangle e |Ω2|\mathrm{\Omega}_2\rangle (normalizados), e a seguir calcular o seu valor esperado como:

Ω^=Ω1P1+Ω2P2\displaystyle \langle \hat{\mathrm{\mathrm{\Omega} }}\rangle=\Omega_1P_1+\Omega_2P_2

onde as probabilidades P1P_1 e P2P_2 são os quadrados dos módulos das componentes do estado |Ψ|\mathrm{\Psi}\rangle na base dos vetores próprios |Ω1|\mathrm{\Omega}_1\rangle e |Ω2|\mathrm{\Omega}_2\rangle:

P1=|Ω1|Ψ|2P2=|Ω2|Ψ|2\displaystyle P_1=\left|\langle \mathrm{\Omega}_1|\mathrm{\Psi}\rangle\right|^2\qquad P_2=\left|\langle \mathrm{\Omega}_2|\mathrm{\Psi}\rangle\right|^2

mas este método requer muito mais contas do que os dois métodos anteriores.