Majorana's stellar representation of single-particle reduced density matrix for completely symmetric states

物理 马约拉纳 布洛赫球面 量子位元 量子力学 可见的 量子纠缠 密度矩阵 希尔伯特空间 自旋(空气动力学) 基质(化学分析) 理论物理学 量子 超导电性 热力学 材料科学 复合材料
作者
Liyao Zhan,Xi Lu,Jie Chen,Wei-Yao Li,Xiao-Xing Jing,Wei Guo,H. D. Liu,Libin Fu,Xiaoguang Wang
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:107 (5) 被引量:1
标识
DOI:10.1103/physreva.107.052219
摘要

The completely symmetric states play an essential role in quantum physics. In this paper, we calculate the reduced density matrix (RDM) for a single particle of the completely symmetric system coupled by $N$ spin-$\frac{1}{2}$ particles, because it helps to investigate the evolution of expectation value for the observable and to calculate the entanglement between the subsystems. Furthermore, we use Majorana's stellar representation (MSR) to represent the results because it provides an intuitive geometric perspective to comprehend the quantum states in the high-dimensional Hilbert space with distributions and trajectories of the Majorana stars on a Bloch sphere. With the operation properties of the generalized many-body anticommutator, we get the general MSR form of a single-qubit RDM. As the application and verification, we calculate the single-qubit RDM for the Dicke states with the results. Similarly, we further solve the RDM of the spin-$\frac{N}{2}$ state in a uniform magnetic field and study the systems with symmetric structures on the Bloch sphere. The results exhibit the relations between the composite systems and the subsystems, and provide a new idea for the numerical solution of multiqubit systems.
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