Унитарная матрица

Комплексная матрица, сопряженное транспонирование которой равно ее обратной

В линейной алгебре обратимая комплексная квадратная матрица U является унитарной , если ее обратная матрица U ⁻¹ равна ее сопряженной транспонированной U ^* , то есть, если

$${\displaystyle U^{*}U=UU^{*}=I,}$$

где I — единичная матрица .

В физике, особенно в квантовой механике, сопряженное транспонирование называется эрмитовым сопряжением матрицы и обозначается кинжалом ( †), поэтому приведенное выше уравнение записывается

$${\displaystyle U^{\dagger }U=UU^{\dagger }=I.}$$

Комплексная матрица U называется специальной унитарной , если она унитарна и ее определитель матрицы равен 1 .

Для действительных чисел аналогом унитарной матрицы является ортогональная матрица . Унитарные матрицы имеют важное значение в квантовой механике, поскольку они сохраняют нормы и, следовательно, амплитуды вероятности .

Характеристики

Для любой унитарной матрицы U конечного размера справедливы следующие условия:

• Учитывая два комплексных вектора x и y , умножение на U сохраняет их внутренний продукт ; то есть ⟨ U x , U y ⟩ = ⟨ x , y ⟩ .
• U в норме ( ). ${\displaystyle U^{*}U=UU^{*}}$
• U диагонализуемо ; _ то есть U унитарно подобен диагональной матрице, как следствие спектральной теоремы . Таким образом, U имеет разложение вида , где V унитарно, а D диагонально и унитарно. ${\displaystyle U=VDV^{*},}$
• ${\displaystyle \left|\det(U)\right|=1}$. То есть будет находиться на единичной окружности комплексной плоскости. ${\displaystyle \det(U)}$
• Его собственные пространства ортогональны.
• U можно записать как U = e ^iH , где e обозначает матричную экспоненту , i — мнимая единица, а H — эрмитова матрица .

Для любого неотрицательного целого числа n набор всех унитарных матриц размера n  ×  n с матричным умножением образует группу , называемую унитарной группой U( n ) .

Любая квадратная матрица с единичной евклидовой нормой представляет собой среднее двух унитарных матриц. ^[1]

Эквивалентные условия

Если U — квадратная комплексная матрица, то следующие условия эквивалентны: ^[2]

1. ${\displaystyle U}$является унитарным.
2. ${\displaystyle U^{*}}$ является унитарным.
3. ${\displaystyle U}$является обратимым с . ${\displaystyle U^{-1}=U^{*}}$
4. Столбцы образуют ортонормированный базис относительно обычного скалярного произведения. Другими словами, . ${\displaystyle U}$ ${\displaystyle \mathbb {C} ^{n}}$ ${\displaystyle U^{*}U=I}$
5. Строки образуют ортонормированный базис относительно обычного скалярного произведения. Другими словами, . ${\displaystyle U}$ ${\displaystyle \mathbb {C} ^{n}}$ ${\displaystyle UU^{*}=I}$
6. ${\displaystyle U}$является изометрией относительно обычной нормы. То есть для всех , где . ${\displaystyle \|Ux\|_{2}=\|x\|_{2}}$ ${\displaystyle x\in \mathbb {C} ^{n}}$ ${\textstyle \|x\|_{2}={\sqrt {\sum _{i=1}^{n}|x_{i}|^{2}}}}$
7. ${\displaystyle U}$— нормальная матрица (т. е. существует ортонормированный базис, образованный собственными векторами матрицы ) с собственными значениями , лежащими на единичной окружности . ${\displaystyle U}$

Элементарные конструкции

Унитарная матрица 2 × 2

Одно общее выражение унитарной матрицы 2 × 2 :

$${\displaystyle U={\begin{bmatrix}a&b\\-e^{i\varphi }b^{*}&e^{i\varphi }a^{*}\\\end{bmatrix}},\qquad \left|a\right|^{2}+\left|b\right|^{2}=1\ ,}$$

который зависит от 4 реальных параметров (фазы a , фазы b , относительной величины между a и b и угла φ ). Форма настроена так, что определитель такой матрицы равен

$${\displaystyle \det(U)=e^{i\varphi }~.}$$

Подгруппа этих элементов с называется специальной унитарной группой SU(2). ${\displaystyle \ U\ }$ ${\displaystyle \ \det(U)=1\ }$

Среди нескольких альтернативных форм матрицу U можно записать в следующем виде:

$${\displaystyle \ U=e^{i\varphi /2}{\begin{bmatrix}e^{i\alpha }\cos \theta &e^{i\beta }\sin \theta \\-e^{-i\beta }\sin \theta &e^{-i\alpha }\cos \theta \\\end{bmatrix}}\ ,}$$

где и выше, а углы могут принимать любые значения. ${\displaystyle \ e^{i\alpha }\cos \theta =a\ }$ ${\displaystyle \ e^{i\beta }\sin \theta =b\ ,}$ ${\displaystyle \ \varphi ,\alpha ,\beta ,\theta \ }$

Введя и имеет следующую факторизацию: ${\displaystyle \ \alpha =\psi +\delta \ }$ ${\displaystyle \ \beta =\psi -\delta \ ,}$

$${\displaystyle U=e^{i\varphi /2}{\begin{bmatrix}e^{i\psi }&0\\0&e^{-i\psi }\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}\cos \theta &\sin \theta \\-\sin \theta &\cos \theta \\\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}e^{i\delta }&0\\0&e^{-i\delta }\end{bmatrix}}~.}$$

Это выражение подчеркивает связь между унитарными матрицами 2 × 2 и ортогональными матрицами 2 × 2 с углом θ .

Другая факторизация: ^[3]

$${\displaystyle U={\begin{bmatrix}\cos \rho &-\sin \rho \\\sin \rho &\;\cos \rho \\\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}e^{i\xi }&0\\0&e^{i\zeta }\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}\;\cos \sigma &\sin \sigma \\-\sin \sigma &\cos \sigma \\\end{bmatrix}}~.}$$

Возможны многие другие факторизации унитарной матрицы в базовых матрицах. ^{[4] [5] [6] [7] [8]}

Смотрите также:

Альгамбра, Альваро М. (10 января 2022 г.). «Запрещено симметрией». Новости и мнения. Физика природы . 18 (3): 235–236. дои : 10.1038/s41567-021-01483-x. ISSN  1745-2481. S2CID  256745894. Физику больших систем часто понимают как результат локальных операций между ее компонентами. Теперь показано, что эта картина может быть неполной в квантовых системах, взаимодействия которых ограничены симметриями.</ref>

Смотрите также

• Эрмитова матрица и

Косо-эрмитова матрица

• Разложение матрицы
• Ортогональная группа O( n )
• Специальная ортогональная группа SO( n )
• Ортогональная матрица
• Полуортогональная матрица
• Квантовый логический вентиль
• Специальная унитарная группа СУ( н )
• Симплектическая матрица
• Унитарная группа U( n )
• Унитарный оператор

Рекомендации

1. Ли, Чи-Квонг; Пун, Эдвард (2002). «Аддитивное разложение действительных матриц». Линейная и полилинейная алгебра . 50 (4): 321–326. дои : 10.1080/03081080290025507. S2CID  120125694.
2. Хорн, Роджер А.; Джонсон, Чарльз Р. (2013). Матричный анализ . Издательство Кембриджского университета . дои : 10.1017/CBO9781139020411. ISBN 9781139020411.
3. Фюр, Хартмут; Жешотник, Зиемовит (2018). «Заметка о факторинге унитарных матриц». Линейная алгебра и ее приложения . 547 : 32–44. дои : 10.1016/j.laa.2018.02.017 . ISSN  0024-3795. S2CID  125455174.
4. Уильямс, Колин П. (2011). «Квантовые ворота». В Уильямсе, Колин П. (ред.). Исследования в области квантовых вычислений . Тексты по информатике. Лондон, Великобритания: Спрингер. п. 82. дои : 10.1007/978-1-84628-887-6_2. ISBN 978-1-84628-887-6.
5. Нильсен, Массачусетс ; Чуанг, Исаак (2010). Квантовые вычисления и квантовая информация. Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета . п. 20. ISBN 978-1-10700-217-3. ОСЛК  43641333.
6. Баренко, Адриано; Беннетт, Чарльз Х.; Клив, Ричард; ДиВинченцо, Дэвид П.; Марголус, Норман; Шор, Питер; и другие. (1 ноября 1995 г.). «Элементарные вентили для квантовых вычислений». Физический обзор А. Американское физическое общество (APS). 52 (5): 3457–3467, особенно. 3465. arXiv : Quant-ph/9503016 . дои : 10.1103/physreva.52.3457. ISSN  1050-2947. PMID  9912645. S2CID  8764584.
7. Марвиан, Иман (10 января 2022 г.). «Ограничения на реализуемые унитарные операции, налагаемые симметрией и локальностью». Физика природы . 18 (3): 283–289. arXiv : 2003.05524 . дои : 10.1038/s41567-021-01464-0. ISSN  1745-2481. S2CID  245840243.
8. Ярлског, Сесилия (2006). «Рекурсивная параметризация и инвариантные фазы унитарных матриц». arXiv : math-ph/0510034 .

Внешние ссылки

• Вайсштейн, Эрик В. «Унитарная матрица». Математический мир . Тодд Роуленд.
• Иванова О.А. (2001) [1994], «Унитарная матрица», Математическая энциклопедия , EMS Press
• «Покажите, что собственные значения унитарной матрицы имеют модуль 1». Обмен стеками . 28 марта 2016 г.