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2018年10月31日 星期三

和達三樹《物理用數學》習題2.3.3,Pauli矩陣

==問題==

σ1=[0110],σ2=[0ii0],σ3=[1001],求證:
(i) σ1,σ2,σ3為Hermite矩陣。
(ii) σ1σ1=I,σ2σ2=I,σ3σ3=I
(iii) σ1σ2=iσ3,σ2σ3=iσ1,σ3σ1=iσ2
σ1,σ2,σ3稱為Pauli矩陣。

==解答==

(i) 首先確認2階Hermite矩陣的形式。

A=[z11z12z21z22],其中z11,z12,z21,z22C

A為Hermite矩陣,則意味著A滿足
A=A.
其中A=([z11z12z21z22])T=([¯z11¯z12¯z21¯z22])T=[¯z11¯z21¯z12¯z22],於是有
[¯z11¯z21¯z12¯z22]=[z11z12z21z22].
從而得到
¯z11=z11,¯z21=z12,¯z12=z21,¯z22=z22.
所以z11,z22皆為實數,而z12z21互為共軛複數(因此實部相同)。

總結上述,我們可以得到:A=[z11z12z21z22]為Hermite矩陣,若且唯若A形如
A=[ap+qipqib],a,b,p,qR.
(主對角線元素為實數,副對角線元素為共軛複數對)

現在回頭來判定Pauli矩陣是否為Hermite矩陣。

顯然σ1,σ2,σ3都是Hermite矩陣。

(ii) 直接計算。

σ1σ1=[0110][0110]=[1001]=I.

注意對矩陣[a11a12a21a22]左乘σ1=[0110]的效果相當於「交換1st row與2nd row」,因此可以利用此性質立刻寫出σ1σ1的乘積。

σ2σ2=[0ii0][0ii0]=i[0110][0ii0]=i[i00i]=[i200i2]=[1001]=I.

這裡一樣使用了基本矩陣(Elementary matrix)的性質。對矩陣[a11a12a21a22]左乘[0110]的效果相當於「先將2nd row的元素添上負號後,再與1st row交換」。

σ3σ3=[1001][1001]=[100(1)]=[1001]=I.

這裡一樣使用了基本矩陣(Elementary matrix)的性質。對矩陣[a11a12a21a22]左乘[1001]的效果相當於「將2nd row的元素添上負號」。

(iii) 與(ii)相同,直接計算,但一樣使用基本矩陣的性質來化簡計算量。

σ1σ2=[0110][0ii0]=[i00i]=i[1001]=iσ3

σ2σ3=[0ii0][1001]=i[0110][1001]=i[0110]=iσ1

σ3σ1=[1001][0110]=[0110]=[0i2i20]=i[0ii0]=iσ2

(解答結束)

==附註==

維基百科關於Pauli矩陣的介紹:https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%B3%A1%E5%88%A9%E7%9F%A9%E9%99%A3

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