名古屋大学 大学院 情報学研究科
数理情報学専攻
2022年度 6: 量子力学

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(1)

(2)

$$\begin{align} \left| \psi_\tau \right\rangle &= U(\tau) \left| \psi_0 \right\rangle \\ &= \begin{pmatrix} \cos \tau & - \sin \tau \\ \sin \tau & \cos \tau \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 1 \\ 0 \end{pmatrix} \\ &= \begin{pmatrix} \cos \tau \\ \sin \tau \end{pmatrix} \end{align}$$

(3)

$$\begin{align} \left\langle X \right\rangle_\tau &= \left\langle \psi_\tau \right| X \left| \psi_\tau \right\rangle \\ &= \begin{pmatrix} \cos \tau & \sin \tau \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} \cos \tau \\ \sin \tau \end{pmatrix} \\ &= 2 \sin \tau \cos \tau \\ &= \sin 2 \tau \end{align}$$

(4)

$X^2$ は単位行列であるから、 $$\begin{align} \left\langle X^2 \right\rangle_\tau &= \left\langle \psi_\tau | \psi_\tau \right\rangle \\ &= 1 \\ \therefore \ \ \sigma^2_\tau (X) &= \left\langle X^2 \right\rangle_\tau - \left\langle X \right\rangle_\tau^2 \\ &= 1 - \sin^2 2 \tau \end{align}$$

(5)

$$\begin{align} \tau^* = \frac{\pi}{4} \end{align}$$

[参考]

• 清水明「量子論の基礎」
• 堀田昌寛「入門 現代の量子力学」
• 谷村省吾「量子力学10講」