물리학 에서 양자 맥놀이 (quantum beats) 현상은 준고전이론으로는 설명되지 않지만 양자적 계산, 특히 QED 에 의해서 설명되는 간단한 예이다. 준고전이론에 따르면 V형과
Λ
{\displaystyle \Lambda }
형 원자 에서 모두 간섭 혹은 맥놀이가 나타난다. 그러나 QED 계산에서는 V형 원자 에는 맥놀이가 있지만
Λ
{\displaystyle \Lambda }
형 원자 에는 없다. 이것은 QED 의 좋은 증거이기도 하다.
V형 원자와
Λ
{\displaystyle \Lambda }
형 원자
편집
준고전적인 관점에서, 전자 의 상태 벡터는 아래와 같다.
|
ψ
(
t
)
⟩
=
c
a
e
x
p
(
−
i
ω
a
t
)
|
a
⟩
+
c
b
e
x
p
(
−
i
ω
b
t
)
|
b
⟩
+
c
c
e
x
p
(
−
i
ω
c
t
)
|
c
⟩
{\displaystyle |\psi (t)\rangle =c_{a}exp(-i\omega _{a}t)|a\rangle +c_{b}exp(-i\omega _{b}t)|b\rangle +c_{c}exp(-i\omega _{c}t)|c\rangle }
만약 사라지지 않는 쌍극자 행렬의 원소가 다음과 같이 나타나진다면,
P
a
c
=
e
⟨
a
|
r
|
c
⟩
,
P
b
c
=
e
⟨
b
|
r
|
c
⟩
{\displaystyle {\mathcal {P}}_{ac}=e\langle a|r|c\rangle ,{\mathcal {P}}_{bc}=e\langle b|r|c\rangle }
(V형 원자 )
P
a
b
=
e
⟨
a
|
r
|
b
⟩
,
P
a
c
=
e
⟨
a
|
r
|
c
⟩
{\displaystyle {\mathcal {P}}_{ab}=e\langle a|r|b\rangle ,{\mathcal {P}}_{ac}=e\langle a|r|c\rangle }
(
Λ
{\displaystyle \Lambda }
형 원자 )
각 원자 들은 두개의 미시적인 진동 쌍극자를 갖는다.
P
(
t
)
=
P
a
c
(
c
a
∗
c
c
)
e
x
p
(
i
ν
1
t
)
+
P
b
c
(
c
b
∗
c
c
)
e
x
p
(
i
ν
w
t
)
+
c
.
c
.
{\displaystyle P(t)={\mathcal {P}}_{ac}(c_{a}^{*}c_{c})exp(i\nu _{1}t)+{\mathcal {P}}_{bc}(c_{b}^{*}c_{c})exp(i\nu _{w}t)+c.c.}
for V-type, when
ν
1
=
ω
a
−
ω
c
,
ν
2
=
ω
b
−
ω
c
{\displaystyle \nu _{1}=\omega _{a}-\omega _{c},\nu _{2}=\omega _{b}-\omega _{c}}
,
P
(
t
)
=
P
a
b
(
c
a
∗
c
b
)
e
x
p
(
i
ν
1
t
)
+
P
a
c
(
c
a
∗
c
c
)
e
x
p
(
i
ν
w
t
)
+
c
.
c
.
{\displaystyle P(t)={\mathcal {P}}_{ab}(c_{a}^{*}c_{b})exp(i\nu _{1}t)+{\mathcal {P}}_{ac}(c_{a}^{*}c_{c})exp(i\nu _{w}t)+c.c.}
for
Λ
{\displaystyle \Lambda }
-type, when
ν
1
=
ω
a
−
ω
b
,
ν
2
=
ω
a
−
ω
c
{\displaystyle \nu _{1}=\omega _{a}-\omega _{b},\nu _{2}=\omega _{a}-\omega _{c}}
.
준고전적인 관점에서, 방출되는 전기마당 은 두 항의 합이 되므로,
E
(
+
)
=
E
1
e
x
p
(
−
i
ν
1
t
)
+
E
2
e
x
p
(
−
i
ν
2
t
)
{\displaystyle E^{(+)}={\mathcal {E}}_{1}exp(-i\nu _{1}t)+{\mathcal {E}}_{2}exp(-i\nu _{2}t)}
,
간섭 혹은 맥놀이에 해당하는 항이 존재하는 것을 알 수 있다.
|
E
(
+
)
|
2
=
|
E
1
|
2
+
|
E
2
|
2
+
{
E
1
∗
E
2
e
x
p
[
i
(
ν
1
−
ν
2
)
t
]
+
c
.
c
.
}
{\displaystyle |E^{(+)}|^{2}=|{\mathcal {E}}_{1}|^{2}+|{\mathcal {E}}_{2}|^{2}+\lbrace {\mathcal {E}}_{1}^{*}{\mathcal {E}}_{2}exp\lbrack i(\nu _{1}-\nu _{2})t\rbrack +c.c.\rbrace }
.
QED 계산을 위해서 우리는 양자 역학 2차 양자화의 생성 연산자 와 소멸 연산자 를 도입해야만 한다.
E
n
(
+
)
=
a
n
e
x
p
(
−
i
ν
n
t
)
{\displaystyle E_{n}^{(+)}=a_{n}exp(-i\nu _{n}t)}
를 생성 연산자 로,
E
n
(
−
)
=
a
n
†
e
x
p
(
i
ν
n
t
)
{\displaystyle E_{n}^{(-)}=a_{n}^{\dagger }exp(i\nu _{n}t)}
을 소멸 연산자 로 생각하자.
이 때 맥놀이 부분은 아래와 같다.
⟨
ψ
V
(
t
)
|
E
1
(
−
)
(
t
)
E
2
(
+
)
(
t
)
|
ψ
V
(
t
)
⟩
{\displaystyle \langle \psi _{V}(t)|E_{1}^{(-)}(t)E_{2}^{(+)}(t)|\psi _{V}(t)\rangle }
(V형)
⟨
ψ
Λ
(
t
)
|
E
1
(
−
)
(
t
)
E
2
(
+
)
(
t
)
|
ψ
Λ
(
t
)
⟩
{\displaystyle \langle \psi _{\Lambda }(t)|E_{1}^{(-)}(t)E_{2}^{(+)}(t)|\psi _{\Lambda }(t)\rangle }
(
Λ
{\displaystyle \Lambda }
형)
또한 각각의 상태 벡터는 아래와 같다.
|
ψ
V
(
t
)
⟩
=
∑
i
=
a
,
b
,
c
c
i
|
i
,
0
⟩
+
c
1
|
c
,
1
ν
1
⟩
+
c
2
|
c
,
1
ν
2
⟩
{\displaystyle |\psi _{V}(t)\rangle =\sum _{i=a,b,c}c_{i}|i,0\rangle +c_{1}|c,1_{\nu _{1}}\rangle +c_{2}|c,1_{\nu _{2}}\rangle }
|
ψ
Λ
(
t
)
⟩
=
∑
i
=
a
,
b
,
c
c
i
′
|
i
,
0
⟩
+
c
1
′
|
b
,
1
ν
1
⟩
+
c
2
′
|
c
,
1
ν
2
⟩
{\displaystyle |\psi _{\Lambda }(t)\rangle =\sum _{i=a,b,c}c_{i}'|i,0\rangle +c_{1}'|b,1_{\nu _{1}}\rangle +c_{2}'|c,1_{\nu _{2}}\rangle }
그렇다면 결국 맥놀이에 관한 항은 아래와 같이 정리된다.
⟨
ψ
V
(
t
)
|
E
1
(
−
)
(
t
)
E
2
(
+
)
(
t
)
|
ψ
V
(
t
)
⟩
=
κ
⟨
1
ν
1
0
ν
2
|
a
1
†
a
2
|
0
ν
1
1
ν
2
⟩
e
x
p
[
i
(
ν
1
−
ν
2
)
t
]
⟨
c
|
c
⟩
=
κ
e
x
p
[
i
(
ν
1
−
ν
2
)
t
]
⟨
c
|
c
⟩
{\displaystyle \langle \psi _{V}(t)|E_{1}^{(-)}(t)E_{2}^{(+)}(t)|\psi _{V}(t)\rangle =\kappa \langle 1_{\nu _{1}}0_{\nu _{2}}|a_{1}^{\dagger }a_{2}|0_{\nu _{1}}1_{\nu _{2}}\rangle exp\lbrack i(\nu _{1}-\nu _{2})t\rbrack \langle c|c\rangle =\kappa exp\lbrack i(\nu _{1}-\nu _{2})t\rbrack \langle c|c\rangle }
(V형)
⟨
ψ
Λ
(
t
)
|
E
1
(
−
)
(
t
)
E
2
(
+
)
(
t
)
|
ψ
Λ
(
t
)
⟩
=
κ
′
⟨
1
ν
1
0
ν
2
|
a
1
†
a
2
|
0
ν
1
1
ν
2
⟩
e
x
p
[
i
(
ν
1
−
ν
2
)
t
]
⟨
b
|
c
⟩
=
κ
′
e
x
p
[
i
(
ν
1
−
ν
2
)
t
]
⟨
b
|
c
⟩
{\displaystyle \langle \psi _{\Lambda }(t)|E_{1}^{(-)}(t)E_{2}^{(+)}(t)|\psi _{\Lambda }(t)\rangle =\kappa '\langle 1_{\nu _{1}}0_{\nu _{2}}|a_{1}^{\dagger }a_{2}|0_{\nu _{1}}1_{\nu _{2}}\rangle exp\lbrack i(\nu _{1}-\nu _{2})t\rbrack \langle b|c\rangle =\kappa 'exp\lbrack i(\nu _{1}-\nu _{2})t\rbrack \langle b|c\rangle }
(
Λ
{\displaystyle \Lambda }
형)
그러나 고유함수의 직교성에 따라
⟨
c
|
c
⟩
=
1
{\displaystyle \langle c|c\rangle =1}
와
⟨
b
|
c
⟩
=
o
{\displaystyle \langle b|c\rangle =o}
이 된다.
따라서 V형 원자 에는 맥놀이 항이 있지만,
Λ
{\displaystyle \Lambda }
형 원자 에는 없다.
결론적으로, V형 원자 에는 양자 맥놀이가 있지만
Λ
{\displaystyle \Lambda }
형 원자 에는 없다. 이러한 차이는 양자 역학 적인 불확정성에 기인한다. V형 원자 는 두가지 떨기수를 통해 붕괴하는데, 그 두가지 전이가 같은 상태를 향해 이루어짐으로써 우리는 어떤 것이 어떤 길을 따라 왔는지 정할 수 없다. 그러나
Λ
{\displaystyle \Lambda }
형 원자 는 역시 두가지 떨기수를 통해 붕괴하지만 서로 다른 상태로 붕괴하기 때문에 어떤 길을 따라 왔는지 알 수 있다.
자연에서는 양자 역학 의 가장 기본적인 원리인 불확정성의 원리 를 포함한 QED 의 계산이 맞는다. 양자 맥놀이 현상은 준고전적인 이론이 설명하지 못하면서 QED 로는 설명되는 좋은 예이다.