matemáticas

operador traza

operador traza — de la anatomía de las fórmulas
5 fórmulas

Descripción

El operador traza es una función matemática que toma una matriz cuadrada y devuelve la suma de sus entradas diagonales. En física, aparece constantemente en mecánica cuántica y mecánica estadística, donde proporciona una manera de calcular valores esperados y probabilidades a partir de matrices de densidad. La traza es invariante bajo cambios de base, lo que significa que captura propiedades intrínsecas de una aplicación lineal en lugar de artefactos de un sistema de coordenadas particular.

Historia

El concepto de traza se remonta al siglo XIX, con usos tempranos en la teoría de matrices por matemáticos como Arthur Cayley y James Joseph Sylvester. Su aplicación sistemática en física creció con el desarrollo de la mecánica cuántica en la década de 1920.

Cómo funciona

Para una matriz A con entradas A_ij, la traza se define como tr(A) = Σ_i A_ii. Esta suma simple tiene propiedades poderosas: tr(AB) = tr(BA) para cualesquiera dos matrices (aunque AB y BA puedan diferir), y tr(UAU⁻¹) = tr(A) para cualquier matriz invertible U. En mecánica cuántica, el valor esperado de un observable O en un estado descrito por la matriz de densidad ρ es ⟨O⟩ = tr(ρO), y la traza de ρ misma es siempre 1 para un estado normalizado.

En la práctica

El operador traza es esencial en computación cuántica para simular circuitos cuánticos, en física de la materia condensada para calcular funciones de partición, y en aprendizaje automático para factorización de matrices y regularización.

Dato curioso

La traza de una matriz es igual a la suma de sus autovalores, contando multiplicidad, por lo que aparece en el polinomio característico y en la definición del determinante.

Concept graph →

Fórmulas

$$F(U,V) = \frac{1}{N} |\operatorname{Tr}(U^{\dagger}V)|$$
Measure of similarity between two unitary matrices.
Qué hay en la fórmula
UvariableFirst unitary matrix — unitary matrix
VvariableSecond unitary matrix — unitary matrix
NvariableDimension of the Hilbert space — dimensión
TroperadorSum of diagonal elements of a matrix — operador traza
†operadorConjugate transpose of a matrix — hermitian conjugate
| |operadorMagnitude of a complex number — valor absoluto
$$D(\rho \| \sigma) = \mathrm{tr}[\rho (\log \rho - \log \sigma)]$$
Measures distinguishability between two quantum states.
Qué hay en la fórmula
ρvariabledensity operator of the first quantum state — density operator
σvariabledensity operator of the second quantum state — density operator
troperadorsums diagonal elements of an operator in any basis — operador traza
logoperadortakes the operator logarithm, defined via spectral decomposition — matrix logarithm
$$S = -\operatorname{tr}(\rho \ln \rho)$$
Entropy of a quantum system given its density matrix ρ.
Qué hay en la fórmula
Svariablevon Neumann entropy — entropía joule per kelvin
ρvariabledensity matrix of the quantum state — matriz de densidad
troperadorsums diagonal elements of a matrix — operador traza
lnoperadortakes the natural logarithm — logaritmo natural
$$\operatorname{Tr}[A\rho]$$
The expectation value of operator A in quantum state ρ.
Qué hay en la fórmula
AvariableOperator whose expectation is taken — operator
ρvariableDensity matrix (quantum state) — matriz de densidad
TroperadorComputes the sum of diagonal elements of a matrix — operador traza
$$F(\rho, \sigma) = \operatorname{Tr}\sqrt{\sqrt{\rho}\sigma\sqrt{\rho}}$$
Quantum fidelity measures similarity between two quantum states.
Qué hay en la fórmula
FvariableQuantum fidelity between states — fidelidad
ρvariableDensity matrix of first quantum state — matriz de densidad
σvariableDensity matrix of second quantum state — matriz de densidad
TroperadorSum of diagonal elements of a matrix — operador traza
√operadorPrincipal square root of a positive semidefinite matrix — matrix square root

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