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Unitary matrix

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3857: 2369: 2134: 2161: 1908: 1668: 1337: 2821: 2364:{\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}}~.} 1499: 2129:{\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}}~.} 1185: 2860:
The physics of large systems is often understood as the outcome of the local operations among its components. Now, it is shown that this picture may be incomplete in quantum systems whose interactions are constrained by
1106: 1819: 1775: 1721: 202: 1901: 1860: 2679:
Barenco, Adriano; Bennett, Charles H.; Cleve, Richard; DiVincenzo, David P.; Margolus, Norman; Shor, Peter; et al. (1 November 1995). "Elementary gates for quantum computation".
1414: 480: 1018: 1663:{\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}}\ ,} 983: 866: 778: 124: 1483: 357: 722: 425: 902: 814: 509: 1442: 657: 23:. For the restriction on the allowed evolution of quantum systems that ensures the sum of probabilities of all possible outcomes of any event always equals 1, see 1152: 1128: 924: 837: 745: 679: 628: 1332:{\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\ ,} 3515: 152: 3729: 2948: 3820: 1023: 2655: 2617: 1368: 3739: 3505: 1780: 74: 2535: 1726: 1675: 3540: 3087: 1865: 1827: 2906: 1486: 440: 3304: 2941: 988: 933: 3379: 2901: 3898: 3535: 3057: 2647: 2519: 842: 754: 3639: 3510: 3424: 2896: 3744: 3634: 3342: 3022: 1447: 316: 684: 3779: 3708: 3590: 3450: 3047: 2934: 2799:
Jarlskog, Cecilia (2006). "Recursive parameterisation and invariant phases of unitary matrices".
388: 3649: 3232: 3037: 2426: 871: 783: 3595: 3332: 3182: 3177: 3012: 2987: 2982: 2436: 2391: 485: 366: 238: 3789: 3147: 2977: 2957: 2398: 1421: 635: 139:
In physics, especially in quantum mechanics, the conjugate transpose is referred to as the
41: 233:. Unitary matrices have significant importance in quantum mechanics because they preserve 8: 3810: 3784: 3362: 3167: 3157: 578: 61: 3861: 3815: 3805: 3759: 3754: 3683: 3619: 3485: 3222: 3217: 3152: 3142: 3007: 2851: 2800: 2781: 2755: 2724: 2690: 2582: 2496: 2431: 1137: 1113: 909: 822: 730: 664: 613: 539: 234: 215: 3893: 3872: 3856: 3659: 3654: 3644: 3624: 3585: 3580: 3409: 3404: 3389: 3384: 3375: 3370: 3317: 3212: 3162: 3107: 3077: 3072: 3052: 3042: 3002: 2877: 2855: 2843: 2785: 2773: 2743: 2716: 2708: 2681: 2661: 2651: 2613: 2586: 2574: 2531: 2500: 2445: 2421: 2146: 748: 595:
Every square matrix with unit Euclidean norm is the average of two unitary matrices.
230: 140: 52: 35: 20: 3867: 3835: 3764: 3703: 3698: 3678: 3614: 3520: 3490: 3475: 3455: 3394: 3347: 3322: 3312: 3283: 3202: 3197: 3172: 3102: 3082: 2992: 2972: 2880: 2835: 2826: 2765: 2728: 2700: 2605: 2564: 2523: 2488: 2459: 2412: 2403: 2383: 551: 378: 3460: 3565: 3500: 3480: 3465: 3445: 3429: 3327: 3258: 3248: 3207: 3092: 3062: 2633: 133: 2744:"Restrictions on realizable unitary operations imposed by symmetry and locality" 2609: 3825: 3769: 3749: 3734: 3693: 3570: 3530: 3495: 3358: 3337: 3278: 3268: 3253: 3187: 3132: 3122: 3117: 3027: 2918: 2839: 2769: 2479:
Li, Chi-Kwong; Poon, Edward (2002). "Additive decomposition of real matrices".
374: 38: 31: 2569: 2552: 2492: 2373:
Many other factorizations of a unitary matrix in basic matrices are possible.
3887: 3830: 3688: 3629: 3560: 3550: 3545: 3470: 3399: 3273: 3263: 3192: 3112: 3097: 3032: 2847: 2777: 2712: 2704: 2578: 2527: 2450: 1131: 582: 310: 274: 144: 2665: 3713: 3670: 3575: 3288: 3227: 3137: 3017: 2913: 2637: 607:
is a square, complex matrix, then the following conditions are equivalent:
2720: 2641: 3555: 3525: 3293: 3127: 2997: 2695: 2600:
Williams, Colin P. (2011). "Quantum gates". In Williams, Colin P. (ed.).
1362: 1159: 1155: 226: 2805: 3606: 3067: 1134:(equivalently, there is an orthonormal basis formed by eigenvectors of 515: 3840: 3414: 2885: 24: 3774: 2760: 927: 19:
For matrices with orthogonality over the real number field, see
2926: 559: 2604:. Texts in Computer Science. London, UK: Springer. p. 82. 2914:"Show that the eigenvalues of a unitary matrix have modulus 1" 2689:(5). American Physical Society (APS): 3457–3467, esp.p. 3465. 2678: 1101:{\textstyle \|x\|_{2}={\sqrt {\sum _{i=1}^{n}|x_{i}|^{2}}}} 16:
Complex matrix whose conjugate transpose equals its inverse
868:
with respect to the usual inner product. In other words,
780:
with respect to the usual inner product. In other words,
2875: 2296: 2240: 2176: 2066: 2003: 1944: 1538: 1341:
which depends on 4 real parameters (the phase of
1200: 1026: 2164: 1911: 1868: 1830: 1783: 1729: 1678: 1502: 1450: 1424: 1371: 1188: 1140: 1116: 991: 936: 912: 874: 845: 825: 786: 757: 733: 687: 667: 638: 616: 488: 443: 391: 319: 155: 77: 577:
unitary matrices with matrix multiplication forms a
2819: 1814:{\displaystyle \ \varphi ,\alpha ,\beta ,\theta \ } 2363: 2128: 1895: 1854: 1813: 1769: 1715: 1662: 1477: 1436: 1408: 1331: 1146: 1122: 1100: 1012: 977: 918: 896: 860: 831: 808: 772: 739: 716: 673: 651: 622: 503: 474: 419: 351: 196: 118: 3885: 2138:This expression highlights the relation between 1454: 1372: 511:will be on the unit circle of the complex plane. 489: 449: 2550: 1770:{\displaystyle \ e^{i\beta }\sin \theta =b\ ,} 1716:{\displaystyle \ e^{i\alpha }\cos \theta =a\ } 377:to a diagonal matrix, as a consequence of the 197:{\displaystyle U^{\dagger }U=UU^{\dagger }=I.} 2942: 2632: 2551:FĂŒhr, Hartmut; Rzeszotnik, Ziemowit (2018). 2514:Horn, Roger A.; Johnson, Charles R. (2013). 1492:Among several alternative forms, the matrix 1034: 1027: 966: 959: 947: 937: 2643:Quantum Computation and Quantum Information 2513: 1166: 3516:Fundamental (linear differential equation) 2949: 2935: 2299: 2217: 2804: 2759: 2694: 2568: 1896:{\displaystyle \ \beta =\psi -\delta \ ,} 1855:{\displaystyle \ \alpha =\psi +\delta \ } 1000: 930:with respect to the usual norm. That is, 848: 760: 229:, the analogue of a unitary matrix is an 2798: 2599: 598: 3821:Matrix representation of conic sections 2894: 2820:Alhambra, Álvaro M. (10 January 2022). 2741: 1409:{\displaystyle \det(U)=e^{i\varphi }~.} 1171: 3886: 2672: 2553:"A note on factoring unitary matrices" 2478: 475:{\displaystyle \left|\det(U)\right|=1} 147:(†), so the equation above is written 2930: 2876: 1013:{\displaystyle x\in \mathbb {C} ^{n}} 978:{\displaystyle \|Ux\|_{2}=\|x\|_{2}} 253:of finite size, the following hold: 2557:Linear Algebra and Its Applications 13: 2956: 14: 3910: 2869: 2742:Marvian, Iman (10 January 2022). 2602:Explorations in Quantum Computing 1903:has the following factorization: 1361:). The form is configured so the 1349:, the relative magnitude between 3855: 1418:The sub-group of those elements 861:{\displaystyle \mathbb {C} ^{n}} 773:{\displaystyle \mathbb {C} ^{n}} 385:has a decomposition of the form 143:of a matrix and is denoted by a 119:{\displaystyle U^{*}U=UU^{*}=I,} 3723:Used in science and engineering 1277: 2966:Explicitly constrained entries 2813: 2792: 2735: 2626: 2593: 2544: 2507: 2481:Linear and Multilinear Algebra 2472: 1463: 1457: 1381: 1375: 1086: 1070: 498: 492: 458: 452: 1: 3740:Fundamental (computer vision) 2466: 1496:can be written in this form: 1478:{\displaystyle \ \det(U)=1\ } 839:form an orthonormal basis of 352:{\displaystyle U^{*}U=UU^{*}} 244: 2413:Special orthogonal group SO( 1176:One general expression of a 717:{\displaystyle U^{-1}=U^{*}} 7: 3506:Duplication and elimination 3305:eigenvalues or eigenvectors 2902:Encyclopedia of Mathematics 2610:10.1007/978-1-84628-887-6_2 2376: 546:is the imaginary unit, and 10: 3915: 3439:With specific applications 3068:Discrete Fourier Transform 2840:10.1038/s41567-021-01483-x 2770:10.1038/s41567-021-01464-0 2648:Cambridge University Press 2520:Cambridge University Press 420:{\displaystyle U=VDV^{*},} 257:Given two complex vectors 18: 3849: 3798: 3730:Cabibbo–Kobayashi–Maskawa 3722: 3668: 3604: 3438: 3357:Satisfying conditions on 3356: 3302: 3241: 2965: 2570:10.1016/j.laa.2018.02.017 2493:10.1080/03081080290025507 2437:Special Unitary group SU( 2156:Another factorization is 214:if it is unitary and its 2895:Ivanova, O. A. (2001) , 2705:10.1103/physreva.52.3457 2528:10.1017/CBO9781139020411 1167:Elementary constructions 897:{\displaystyle UU^{*}=I} 809:{\displaystyle U^{*}U=I} 435:is diagonal and unitary. 3088:Generalized permutation 2822:"Forbidden by symmetry" 504:{\displaystyle \det(U)} 249:For any unitary matrix 3862:Mathematics portal 2427:Semi-orthogonal matrix 2365: 2130: 1897: 1856: 1815: 1777:above, and the angles 1771: 1717: 1664: 1479: 1438: 1410: 1333: 1148: 1124: 1102: 1068: 1014: 979: 920: 898: 862: 833: 810: 774: 741: 718: 675: 653: 624: 505: 476: 421: 353: 239:probability amplitudes 198: 120: 2392:Skew-Hermitian matrix 2366: 2142:unitary matrices and 2131: 1898: 1857: 1821:can take any values. 1816: 1772: 1718: 1665: 1487:special unitary group 1480: 1439: 1437:{\displaystyle \ U\ } 1411: 1334: 1149: 1125: 1103: 1048: 1015: 980: 921: 899: 863: 834: 811: 775: 742: 719: 676: 654: 652:{\displaystyle U^{*}} 625: 599:Equivalent conditions 506: 477: 422: 354: 199: 121: 2824:. News & Views. 2399:Matrix decomposition 2162: 1909: 1866: 1828: 1781: 1727: 1676: 1500: 1448: 1422: 1369: 1365:of such a matrix is 1186: 1172:2 × 2 unitary matrix 1138: 1114: 1024: 989: 934: 910: 872: 843: 823: 784: 755: 731: 685: 665: 636: 614: 558:For any nonnegative 486: 441: 389: 317: 269:, multiplication by 153: 75: 3811:Linear independence 3058:Diagonally dominant 2404:Orthogonal group O( 2147:orthogonal matrices 681:is invertible with 62:conjugate transpose 3816:Matrix exponential 3806:Jordan normal form 3640:Fisher information 3511:Euclidean distance 3425:Totally unimodular 2878:Weisstein, Eric W. 2432:Quantum logic gate 2361: 2349: 2285: 2229: 2126: 2114: 2055: 1992: 1893: 1852: 1811: 1767: 1713: 1660: 1648: 1475: 1434: 1406: 1329: 1268: 1180:unitary matrix is 1144: 1120: 1098: 1010: 975: 916: 894: 858: 829: 806: 770: 737: 714: 671: 649: 620: 540:matrix exponential 524:can be written as 501: 472: 417: 349: 216:matrix determinant 194: 116: 3899:Unitary operators 3881: 3880: 3873:Category:Matrices 3745:Fuzzy associative 3635:Doubly stochastic 3343:Positive-definite 3023:Block tridiagonal 2922:. March 28, 2016. 2682:Physical Review A 2657:978-1-10700-217-3 2646:. 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That is, 298: 294: 290: 287: 283: 280: 265: 259: 248: 237:, and thus, 227:real numbers 224: 211: 205: 149: 138: 127: 71: 65: 56: 48: 29: 3760:Hamiltonian 3684:Biadjacency 3620:Correlation 3536:Householder 3486:Commutation 3223:Vandermonde 3218:Tridiagonal 3153:Permutation 3143:Nonnegative 3128:Matrix unit 3008:Bisymmetric 2861:symmetries. 1363:determinant 1160:unit circle 1156:eigenvalues 659:is unitary. 630:is unitary. 516:eigenspaces 369:; that is, 277:; that is, 60:equals its 3888:Categories 3660:Transition 3655:Stochastic 3625:Covariance 3607:statistics 3586:Symplectic 3581:Similarity 3410:Unimodular 3405:Orthogonal 3390:Involutory 3385:Invertible 3380:Projection 3376:Idempotent 3318:Convergent 3213:Triangular 3163:Polynomial 3108:Hessenberg 3078:Equivalent 3073:Elementary 3053:Copositive 3043:Conference 3003:Bidiagonal 2761:2003.05524 2467:References 245:Properties 36:invertible 3841:Wronskian 3765:Irregular 3755:Gell-Mann 3704:Laplacian 3699:Incidence 3679:Adjacency 3650:Precision 3615:Centering 3521:Generator 3491:Confusion 3476:Circulant 3456:Augmented 3415:Unipotent 3395:Nilpotent 3371:Congruent 3348:Stieltjes 3323:Defective 3313:Companion 3284:Redheffer 3203:Symmetric 3198:Sylvester 3173:Signature 3103:Hermitian 3083:Frobenius 2993:Arrowhead 2973:Alternant 2907:EMS Press 2886:MathWorld 2856:256745894 2848:1745-2481 2786:245840243 2778:1745-2481 2713:1050-2947 2587:125455174 2579:0024-3795 2563:: 32–44. 2501:120125694 2345:σ 2342:⁡ 2334:σ 2331:⁡ 2325:− 2318:σ 2315:⁡ 2307:σ 2304:⁡ 2279:ζ 2252:ξ 2225:ρ 2222:⁡ 2213:ρ 2210:⁡ 2200:ρ 2197:⁡ 2191:− 2186:ρ 2183:⁡ 2149:of angle 2108:δ 2102:− 2078:δ 2051:θ 2048:⁡ 2040:θ 2037:⁡ 2031:− 2024:θ 2021:⁡ 2013:θ 2010:⁡ 1986:ψ 1980:− 1956:ψ 1927:φ 1885:δ 1882:− 1879:ψ 1873:β 1847:δ 1841:ψ 1835:α 1806:θ 1800:β 1794:α 1788:φ 1753:θ 1750:⁡ 1742:β 1702:θ 1699:⁡ 1691:α 1644:θ 1641:⁡ 1633:α 1627:− 1617:θ 1614:⁡ 1606:β 1600:− 1592:− 1585:θ 1582:⁡ 1574:β 1561:θ 1558:⁡ 1550:α 1521:φ 1396:φ 1262:∗ 1252:φ 1237:∗ 1227:φ 1216:− 1050:∑ 1035:‖ 1028:‖ 996:∈ 967:‖ 960:‖ 948:‖ 938:‖ 884:∗ 793:∗ 710:∗ 694:− 645:∗ 410:∗ 345:∗ 326:∗ 181:† 162:† 103:∗ 84:∗ 25:unitarity 3894:Matrices 3669:Used in 3605:Used in 3566:Rotation 3541:Jacobian 3501:Distance 3481:Cofactor 3466:Carleman 3446:Adjugate 3430:Weighing 3363:inverses 3359:products 3328:Definite 3259:Identity 3249:Exchange 3242:Constant 3208:Toeplitz 3093:Hadamard 3063:Diagonal 2666:43641333 2640:(2010). 2377:See also 1020:, where 985:for all 928:isometry 747:form an 534:, where 381:. 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Index

orthogonal matrix
unitarity
linear algebra
invertible
complex
square matrix
matrix inverse
conjugate transpose
identity matrix
Hermitian adjoint
dagger
matrix determinant
real numbers
orthogonal matrix
norms
probability amplitudes
inner product
normal
diagonalizable
unitarily similar
spectral theorem
eigenspaces
matrix exponential
Hermitian matrix
integer
group
unitary group
orthonormal basis
isometry
normal matrix

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