第 2 课 · 希尔伯特空间的语言——狄拉克符号、内积、幺正演化与布洛赫球 · 模块一:基础与工具

布洛赫参数化:$\theta$ 与 $\phi$ 各管什么

  • 命题框(大字居中):$|\psi\rangle = \cos(\theta/2)|0\rangle + e^{i\phi}\sin(\theta/2)|1\rangle$
  • 推导/验算(逐行):
    1. 归一化验证:$|\cos(\theta/2)|^2 + |e^{i\phi}\sin(\theta/2)|^2 = \cos^2(\theta/2) + \sin^2(\theta/2) = 1$($|e^{i\phi}| = 1$,勾股恒等式对一切 $\theta$ 成立)——球面每个点都对应合法态
    2. $\theta$ 哨位代入:$\theta = 0$ → $\cos 0 = 1$、$\sin 0 = 0$ → $|0\rangle$(北极);$\theta = \pi$ → $\cos(\pi/2) = 0$、$\sin(\pi/2) = 1$ → $|1\rangle$(南极);$\theta = \pi/2$ → $\cos(\pi/4) = \sin(\pi/4) = 1/\sqrt{2}$ → 等量叠加(赤道)
    3. $\phi$ 职权:$|1\rangle$ 前的相对相位因子 $e^{i\phi}$;球面点直角坐标 $(\sin\theta\cos\phi,\, \sin\theta\sin\phi,\, \cos\theta)$,$\phi$ 从赤道平面 x 轴量起
    4. 注意半角:$\theta$ 从 0 走到 $\pi$,"0 的份额" $\cos^2(\theta/2)$ 从 1 降到 0——参数化用的是 $\theta/2$
  • 图表:原生柱状图——$P(0) = \cos^2(\theta/2)$、$P(1) = \sin^2(\theta/2)$ 在 $\theta = 0$、$\pi/2$、$\pi$ 三处取值 $(1,\, 0)$、$(1/2,\, 1/2)$、$(0,\, 1)$,柱上标数值
  • 结果框:$\theta$ 管幅值分配($|0\rangle$/$|1\rangle$ 之间的倾斜),$\phi$ 管相对相位(赤道面上的方位)
类型definition-derivation + 图表