11150:
10454:
11145:{\displaystyle {\begin{aligned}\operatorname {tr} \left(\sigma _{\alpha }\right)&=2\delta _{0\alpha }\\\operatorname {tr} \left(\sigma _{\alpha }\sigma _{\beta }\right)&=2\delta _{\alpha \beta }\\\operatorname {tr} \left(\sigma _{\alpha }\sigma _{\beta }\sigma _{\gamma }\right)&=2\sum _{(\alpha \beta \gamma )}\delta _{\alpha \beta }\delta _{0\gamma }-4\delta _{0\alpha }\delta _{0\beta }\delta _{0\gamma }+2i\varepsilon _{0\alpha \beta \gamma }\\\operatorname {tr} \left(\sigma _{\alpha }\sigma _{\beta }\sigma _{\gamma }\sigma _{\mu }\right)&=2\left(\delta _{\alpha \beta }\delta _{\gamma \mu }-\delta _{\alpha \gamma }\delta _{\beta \mu }+\delta _{\alpha \mu }\delta _{\beta \gamma }\right)+4\left(\delta _{\alpha \gamma }\delta _{0\beta }\delta _{0\mu }+\delta _{\beta \mu }\delta _{0\alpha }\delta _{0\gamma }\right)-8\delta _{0\alpha }\delta _{0\beta }\delta _{0\gamma }\delta _{0\mu }+2i\sum _{(\alpha \beta \gamma \mu )}\varepsilon _{0\alpha \beta \gamma }\delta _{0\mu }\end{aligned}}}
4205:
12206:
13229:
3676:
3337:
10431:
11565:
15868:
20662:
12739:
2955:
10071:
4200:{\displaystyle {\begin{aligned}{\vec {a}}\cdot {\vec {\sigma }}&=(a_{k}\,{\hat {x}}_{k})\cdot (\sigma _{\ell }\,{\hat {x}}_{\ell })=a_{k}\,\sigma _{\ell }\,{\hat {x}}_{k}\cdot {\hat {x}}_{\ell }\\&=a_{k}\,\sigma _{\ell }\,\delta _{k\ell }=a_{k}\,\sigma _{k}\\&=a_{1}{\begin{pmatrix}0&1\\1&0\end{pmatrix}}+a_{2}{\begin{pmatrix}0&-i\\i&0\end{pmatrix}}+a_{3}{\begin{pmatrix}1&0\\0&-1\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}a_{3}&a_{1}-ia_{2}\\a_{1}+ia_{2}&-a_{3}\end{pmatrix}},\end{aligned}}}
15556:
12201:{\displaystyle {\begin{aligned}e^{ia\left({\hat {n}}\cdot {\vec {\sigma }}\right)}&=\sum _{k=0}^{\infty }{\frac {i^{k}\left^{k}}{k!}}\\&=\sum _{p=0}^{\infty }{\frac {(-1)^{p}(a{\hat {n}}\cdot {\vec {\sigma }})^{2p}}{(2p)!}}+i\sum _{q=0}^{\infty }{\frac {(-1)^{q}(a{\hat {n}}\cdot {\vec {\sigma }})^{2q+1}}{(2q+1)!}}\\&=I\sum _{p=0}^{\infty }{\frac {(-1)^{p}a^{2p}}{(2p)!}}+i({\hat {n}}\cdot {\vec {\sigma }})\sum _{q=0}^{\infty }{\frac {(-1)^{q}a^{2q+1}}{(2q+1)!}}\\\end{aligned}}}
13224:{\displaystyle {\begin{aligned}e^{ia\left({\hat {n}}\cdot {\vec {\sigma }}\right)}e^{ib\left({\hat {m}}\cdot {\vec {\sigma }}\right)}&=I\left(\cos a\cos b-{\hat {n}}\cdot {\hat {m}}\sin a\sin b\right)+i\left({\hat {n}}\sin a\cos b+{\hat {m}}\sin b\cos a-{\hat {n}}\times {\hat {m}}~\sin a\sin b\right)\cdot {\vec {\sigma }}\\&=I\cos {c}+i\left({\hat {k}}\cdot {\vec {\sigma }}\right)\sin c\\&=e^{ic\left({\hat {k}}\cdot {\vec {\sigma }}\right)},\end{aligned}}}
14300:
6942:
3332:{\displaystyle {\begin{aligned}\psi _{x+}&={\frac {1}{\sqrt {2}}}{\begin{bmatrix}1\\1\end{bmatrix}},&\psi _{x-}&={\frac {1}{\sqrt {2}}}{\begin{bmatrix}1\\-1\end{bmatrix}},\\\psi _{y+}&={\frac {1}{\sqrt {2}}}{\begin{bmatrix}1\\i\end{bmatrix}},&\psi _{y-}&={\frac {1}{\sqrt {2}}}{\begin{bmatrix}1\\-i\end{bmatrix}},\\\psi _{z+}&={\begin{bmatrix}1\\0\end{bmatrix}},&\psi _{z-}&={\begin{bmatrix}0\\1\end{bmatrix}}.\end{aligned}}}
10426:{\displaystyle {\begin{aligned}\operatorname {tr} \left(\sigma _{j}\right)&=0\\\operatorname {tr} \left(\sigma _{j}\sigma _{k}\right)&=2\delta _{jk}\\\operatorname {tr} \left(\sigma _{j}\sigma _{k}\sigma _{\ell }\right)&=2i\varepsilon _{jk\ell }\\\operatorname {tr} \left(\sigma _{j}\sigma _{k}\sigma _{\ell }\sigma _{m}\right)&=2\left(\delta _{jk}\delta _{\ell m}-\delta _{j\ell }\delta _{km}+\delta _{jm}\delta _{k\ell }\right)\end{aligned}}}
15089:
357:
9577:
33:
15863:{\displaystyle {\tfrac {1}{2}}\left(\mathbf {1} +{\vec {a}}\cdot {\vec {\sigma }}\right)={\begin{pmatrix}\cos ^{2}\left({\frac {\,\theta \,}{2}}\right)&e^{-i\,\phi }\sin \left({\frac {\,\theta \,}{2}}\right)\cos \left({\frac {\,\theta \,}{2}}\right)\\e^{+i\,\phi }\sin \left({\frac {\,\theta \,}{2}}\right)\cos \left({\frac {\,\theta \,}{2}}\right)&\sin ^{2}\left({\frac {\,\theta \,}{2}}\right)\end{pmatrix}}}
14709:
9081:
13932:
6575:
14887:
9816:
17248:
2914:
116:
13761:
9279:
14468:
14522:
8799:
14295:{\displaystyle R_{n}(-a)~{\vec {\sigma }}~R_{n}(a)=e^{i{\frac {a}{2}}\left({\hat {n}}\cdot {\vec {\sigma }}\right)}~{\vec {\sigma }}~e^{-i{\frac {a}{2}}\left({\hat {n}}\cdot {\vec {\sigma }}\right)}={\vec {\sigma }}\cos(a)+{\hat {n}}\times {\vec {\sigma }}~\sin(a)+{\hat {n}}~{\hat {n}}\cdot {\vec {\sigma }}~(1-\cos(a))~.}
17057:
6937:{\displaystyle \psi _{+}={\frac {1}{{\sqrt {2\left|{\vec {a}}\right|\ (a_{3}+\left|{\vec {a}}\right|)\ }}\ }}{\begin{bmatrix}a_{3}+\left|{\vec {a}}\right|\\a_{1}+ia_{2}\end{bmatrix}};\qquad \psi _{-}={\frac {1}{\sqrt {2|{\vec {a}}|(a_{3}+|{\vec {a}}|)}}}{\begin{bmatrix}ia_{2}-a_{1}\\a_{3}+|{\vec {a}}|\end{bmatrix}}~.}
15223:
16677:
19192:
17367:
15084:{\displaystyle {\begin{aligned}c&={}{\tfrac {1}{2}}\,\operatorname {tr} \,M\,,{\begin{aligned}&&a_{k}&={\tfrac {1}{2}}\,\operatorname {tr} \,\sigma ^{k}\,M.\end{aligned}}\\\therefore ~~2\,M&=I\,\operatorname {tr} \,M+\sum _{k}\sigma ^{k}\,\operatorname {tr} \,\sigma ^{k}M~,\end{aligned}}}
9600:
2707:
13527:
1304:
19326:
1518:
15978:
13514:
4623:
15387:
8291:
7936:
18839:
352:{\displaystyle {\begin{aligned}\sigma _{1}=\sigma _{x}&={\begin{pmatrix}0&1\\1&0\end{pmatrix}},\\\sigma _{2}=\sigma _{y}&={\begin{pmatrix}0&-i\\i&0\end{pmatrix}},\\\sigma _{3}=\sigma _{z}&={\begin{pmatrix}1&0\\0&-1\end{pmatrix}}.\\\end{aligned}}}
12709:
9572:{\displaystyle ~~{\begin{aligned}a_{j}b_{k}\sigma _{j}\sigma _{k}&=a_{j}b_{k}\left(i\varepsilon _{jk\ell }\,\sigma _{\ell }+\delta _{jk}I\right)\\a_{j}\sigma _{j}b_{k}\sigma _{k}&=i\varepsilon _{jk\ell }\,a_{j}b_{k}\sigma _{\ell }+a_{j}b_{k}\delta _{jk}I\end{aligned}}.~}
2700:
5531:
18394:
18031:
14704:{\displaystyle {\vec {\sigma }}_{\alpha \beta }\cdot {\vec {\sigma }}_{\gamma \delta }\equiv \sum _{k=1}^{3}\sigma _{\alpha \beta }^{k}\,\sigma _{\gamma \delta }^{k}=2\,\delta _{\alpha \delta }\,\delta _{\beta \gamma }-\delta _{\alpha \beta }\,\delta _{\gamma \delta }.}
14307:
12363:
15547:
9076:{\displaystyle {\begin{aligned}\left+\{\sigma _{j},\sigma _{k}\}&=(\sigma _{j}\sigma _{k}-\sigma _{k}\sigma _{j})+(\sigma _{j}\sigma _{k}+\sigma _{k}\sigma _{j})\\2i\varepsilon _{jk\ell }\,\sigma _{\ell }+2\delta _{jk}I&=2\sigma _{j}\sigma _{k}\end{aligned}}}
8664:
16488:
4822:
6419:
17695:
15094:
8484:
3473:
1630:
16174:
10056:
11547:
7246:
16291:
5856:
18521:. The Pauli matrices are some of the most important single-qubit operations. In that context, the Cartan decomposition given above is called the "Z–Y decomposition of a single-qubit gate". Choosing a different Cartan pair gives a similar "X–Y
9191:
17584:
5081:
4977:
16543:
18933:
9811:{\displaystyle ~~{\Bigl (}{\vec {a}}\cdot {\vec {\sigma }}{\Bigr )}{\Bigl (}{\vec {b}}\cdot {\vec {\sigma }}{\Bigr )}={\Bigl (}{\vec {a}}\cdot {\vec {b}}{\Bigr )}\,I+i{\Bigl (}{\vec {a}}\times {\vec {b}}{\Bigr )}\cdot {\vec {\sigma }}~~}
17258:
17243:{\displaystyle \mathbf {1} \mapsto I,\quad \mathbf {i} \mapsto -\sigma _{2}\sigma _{3}=-i\,\sigma _{1},\quad \mathbf {j} \mapsto -\sigma _{3}\sigma _{1}=-i\,\sigma _{2},\quad \mathbf {k} \mapsto -\sigma _{1}\sigma _{2}=-i\,\sigma _{3}.}
17030:
2020:
5219:
2909:{\displaystyle {\begin{aligned}\left\{\sigma _{1},\sigma _{1}\right\}&=2I\\\left\{\sigma _{1},\sigma _{2}\right\}&=0\\\left\{\sigma _{2},\sigma _{3}\right\}&=0\\\left\{\sigma _{3},\sigma _{1}\right\}&=0\end{aligned}}}
14874:
13345:
4510:
15277:
18218:
7823:
7098:
4403:
17801:
in order to return to their original configuration. This is due to the two-to-one correspondence between SU(2) and SO(3) mentioned above, and the fact that, although one visualizes spin up/down as the north–south pole on the
7458:
16506:
of SU(2). The elements of SU(2) are exponentials of linear combinations of these three generators, and multiply as indicated above in discussing the Pauli vector. Although this suffices to generate SU(2), it is not a proper
7349:
1157:
19206:
6277:
1367:
13332:
17935:, the spinors in four dimensions are 4 × 1 (or 1 × 4) matrices. Hence the Pauli matrices or the Sigma matrices operating on these spinors have to be 4 × 4 matrices. They are defined in terms of 2 × 2 Pauli matrices as
15875:
8113:
6028:
19481:"Des lois géometriques qui regissent les déplacements d' un systéme solide dans l' espace, et de la variation des coordonnées provenant de ces déplacement considérées indépendant des causes qui peuvent les produire"
18723:
13756:{\displaystyle e^{ic{\hat {k}}\cdot {\vec {\sigma }}}=\exp \left(i{\frac {c}{\sin c}}\left({\hat {n}}\sin a\cos b+{\hat {m}}\sin b\cos a-{\hat {n}}\times {\hat {m}}~\sin a\sin b\right)\cdot {\vec {\sigma }}\right).}
8784:
8175:
18732:
18283:
15452:
9979:
4465:
4682:
12535:
2457:
7815:
2218:
4695:
2106:
11319:
14892:
18496:
18304:
17941:
11405:
14463:{\textstyle R_{y}{\mathord {\left(-{\frac {\pi }{2}}\right)}}\,\sigma _{x}\,R_{y}{\mathord {\left({\frac {\pi }{2}}\right)}}={\hat {x}}\cdot \left({\hat {y}}\times {\vec {\sigma }}\right)=\sigma _{z}}
7656:
16072:
7740:
5717:
8167:
5397:
5389:
3350:
12222:
7559:
6567:
6469:
6122:
14932:
12744:
11570:
10459:
10076:
9290:
8804:
3681:
2960:
2712:
2462:
1906:
1553:
121:
14792:
8033:
5131:
1772:
381:. They also represent the interaction states of two polarization filters for horizontal/vertical polarization, 45 degree polarization (right/left), and circular polarization (right/left).
9984:
6995:
2324:
16385:
16296:
Its eigenvalues are therefore 1 or −1. It may thus be utilized as an interaction term in a
Hamiltonian, splitting the energy eigenvalues of its symmetric versus antisymmetric eigenstates.
8560:
2400:
18126:
18071:
4302:
as its Lie bracket) via functions of matrices, making the map an isomorphism of Lie algebras. This makes the Pauli matrices intertwiners from the point of view of representation theory.
2155:
6282:
5586:
17612:
7982:
8367:
1548:
11222:
18136:
16362:
16865:
16829:
16768:
16728:
16083:
8555:
6517:
6170:
2436:
562:
9893:
7597:
7499:
1698:
18875:
8327:
5657:
2278:
637:
489:
6057:
5620:
5253:
4296:
4241:
14805:
11448:
14304:
Taking the dot product of any unit vector with the above formula generates the expression of any single qubit operator under any rotation. For example, it can be shown that
8699:
7159:
7124:
4853:
3581:
3545:
3509:
16189:
8359:
5754:
1123:
976:
912:
17400:
17052:
16966:
1801:
1724:
1089:
1028:
878:
694:
7151:
5285:
1058:
942:
826:
796:
768:
740:
17477:
15218:{\displaystyle 2\,M_{\alpha \beta }=\delta _{\alpha \beta }\,M_{\gamma \gamma }+\sum _{k}\sigma _{\alpha \beta }^{k}\,\sigma _{\gamma \delta }^{k}\,M_{\delta \gamma }~,}
13927:
13850:
13821:
13792:
12477:
4501:
3668:
3639:
3610:
16672:{\displaystyle {\mathfrak {su}}(2)=\operatorname {span} \left\{{\frac {\,i\,\sigma _{1}\,}{2}},{\frac {\,i\,\sigma _{2}\,}{2}},{\frac {\,i\,\sigma _{3}\,}{2}}\right\}.}
9092:
4329:
4267:
19187:{\displaystyle {\hat {k}}\tan c/2=({\hat {n}}\tan a/2+{\hat {m}}\tan b/2-{\hat {m}}\times {\hat {n}}\tan a/2~\tan b/2)/(1-{\hat {m}}\cdot {\hat {n}}\tan a/2~\tan b/2)}
17485:
17362:{\displaystyle \mathbf {1} \mapsto I,\quad \mathbf {i} \mapsto i\,\sigma _{3}\,,\quad \mathbf {j} \mapsto i\,\sigma _{2}\,,\quad \mathbf {k} \mapsto i\,\sigma _{1}~.}
8519:
4985:
4881:
17896:. The analog formula to the above generalization of Euler's formula for Pauli matrices, the group element in terms of spin matrices, is tractable, but less simple.
16971:
5746:
1937:
13236:
5887:
13898:
8793:
Pauli vectors elegantly map these commutation and anticommutation relations to corresponding vector products. Adding the commutator to the anticommutator gives
5329:
5305:
4873:
1144:
997:
847:
5892:
5136:
18154:
7000:
6421:
A standard result in linear algebra (a linear map that satisfies a polynomial equation written in distinct linear factors is diagonal) means this implies
4334:
9940:
7354:
1299:{\displaystyle \sigma _{j}={\begin{pmatrix}\delta _{j3}&\delta _{j1}-i\,\delta _{j2}\\\delta _{j1}+i\,\delta _{j2}&-\delta _{j3}\end{pmatrix}},}
19321:{\displaystyle \left({\begin{smallmatrix}1&0&0&0\\0&0&1&0\\0&1&0&0\\0&0&0&1\end{smallmatrix}}\right)~.}
1513:{\displaystyle \sigma _{1}^{2}=\sigma _{2}^{2}=\sigma _{3}^{2}=-i\,\sigma _{1}\sigma _{2}\sigma _{3}={\begin{pmatrix}1&0\\0&1\end{pmatrix}}=I,}
7251:
20320:
15973:{\displaystyle {\begin{pmatrix}\cos \left({\frac {\,\theta \,}{2}}\right)&e^{+i\phi }\,\sin \left({\frac {\,\theta \,}{2}}\right)\end{pmatrix}}}
6178:
13866:
13509:{\displaystyle {\hat {k}}={\frac {1}{\sin c}}\left({\hat {n}}\sin a\cos b+{\hat {m}}\sin b\cos a-{\hat {n}}\times {\hat {m}}\sin a\sin b\right).}
12384:
4618:{\displaystyle {\frac {1}{2}}\operatorname {tr} {\Bigl (}{\bigl (}{\vec {a}}\cdot {\vec {\sigma }}{\bigr )}{\vec {\sigma }}{\Bigr )}={\vec {a}}.}
8038:
15382:{\displaystyle \sum _{k=0}^{3}\sigma _{\alpha \beta }^{k}\,\sigma _{\gamma \delta }^{k}=2\,\delta _{\alpha \delta }\,\delta _{\beta \gamma }~.}
18671:
8286:{\displaystyle \Lambda (S)^{\mu }{}_{\nu }={\tfrac {1}{2}}\operatorname {tr} \left({\bar {\sigma }}_{\nu }S\sigma ^{\mu }S^{\dagger }\right).}
17773:
7931:{\displaystyle x_{\nu }={\tfrac {1}{2}}\operatorname {tr} {\Bigl (}{\bar {\sigma }}_{\nu }{\bigl (}x_{\mu }\sigma ^{\mu }{\bigr )}{\Bigr )}.}
18834:{\displaystyle \cdot :\mathbb {R} ^{3}\times ({\mathcal {M}}_{2}(\mathbb {C} )\otimes \mathbb {R} ^{3})\to {\mathcal {M}}_{2}(\mathbb {C} )}
8704:
18223:
4408:
14733:
12704:{\displaystyle f(a({\hat {n}}\cdot {\vec {\sigma }}))=I{\frac {f(a)+f(-a)}{2}}+{\hat {n}}\cdot {\vec {\sigma }}{\frac {f(a)-f(-a)}{2}}.}
4628:
2695:{\displaystyle {\begin{aligned}\left&=0\\\left&=2i\sigma _{3}\\\left&=2i\sigma _{1}\\\left&=2i\sigma _{2}\end{aligned}}}
7751:
2160:
20534:
19753:
18389:{\displaystyle {\mathsf {\alpha }}_{k}={\begin{pmatrix}0&{\mathsf {\sigma }}_{k}\\{\mathsf {\sigma }}_{k}&0\end{pmatrix}}.}
18026:{\displaystyle {\mathsf {\Sigma }}_{k}={\begin{pmatrix}{\mathsf {\sigma }}_{k}&0\\0&{\mathsf {\sigma }}_{k}\end{pmatrix}}.}
15407:
2 × 2 matrices with unit trace. This can be seen by first expressing an arbitrary
Hermitian matrix as a real linear combination of
13519:
2039:
19507:
11242:
20625:
18418:
17876:
of this representation with itself repeatedly, one may construct all higher irreducible representations. That is, the resulting
11341:
6175:
More abstractly, without computing the determinant, which requires explicit properties of the Pauli matrices, this follows from
11556:
7605:
5526:{\displaystyle U*{\vec {a}}\cdot {\vec {\sigma }}={\vec {a}}'\cdot {\vec {\sigma }}=:(R(U)\ {\vec {a}})\cdot {\vec {\sigma }},}
16896:
16033:
7675:
19713:
19678:
19521:
19433:
12358:{\displaystyle ~~e^{ia\left({\hat {n}}\cdot {\vec {\sigma }}\right)}=I\cos {a}+i({\hat {n}}\cdot {\vec {\sigma }})\sin {a}~~}
5662:
17737:
particle, in each of the three spatial directions. As an immediate consequence of the Cartan decomposition mentioned above,
15542:{\displaystyle {\vec {a}}={\begin{pmatrix}\sin \theta \cos \phi &\sin \theta \sin \phi &\cos \theta \end{pmatrix}},}
8118:
5334:
20544:
20310:
7507:
6522:
6424:
6077:
1826:
1345:
and 0 otherwise. This expression is useful for "selecting" any one of the matrices numerically by substituting values of
17:
7987:
5086:
1729:
8659:{\textstyle \det \left(\sum _{\mu }x_{\mu }\sigma ^{\mu }\right)=\sum _{\mu }\det \left(x_{\mu }\sigma ^{\mu }\right).}
6947:
16483:{\displaystyle {\mathfrak {su}}(2)=\operatorname {span} \{\;i\,\sigma _{1}\,,\;i\,\sigma _{2}\,,\;i\,\sigma _{3}\;\}.}
4817:{\displaystyle \det {\bigl (}{\vec {a}}\cdot {\vec {\sigma }}{\bigr )}=-{\vec {a}}\cdot {\vec {a}}=-|{\vec {a}}|^{2}.}
2283:
19647:
19348:
18571:
13880:
It is also straightforward to likewise work out the adjoint action on the Pauli vector, namely rotation of any angle
12508:
17437:
6414:{\displaystyle \ ({\vec {a}}\cdot {\vec {\sigma }}-|{\vec {a}}|)({\vec {a}}\cdot {\vec {\sigma }}+|{\vec {a}}|)=0.}
17893:
2331:
20345:
18581:
18094:
18039:
17690:{\displaystyle Q_{\theta }={\boldsymbol {1}}\,\cos {\frac {\theta }{2}}+i\,\sigma _{x}\sin {\frac {\theta }{2}}.}
16503:
2114:
19892:
17932:
17869:
16508:
14474:
8479:{\displaystyle \det(A+B)=\det(A)+\det(B)+\operatorname {tr} (A)\operatorname {tr} (B)-\operatorname {tr} (AB).}
5539:
3468:{\displaystyle {\vec {\sigma }}=\sigma _{1}{\hat {x}}_{1}+\sigma _{2}{\hat {x}}_{2}+\sigma _{3}{\hat {x}}_{3},}
1625:{\displaystyle {\begin{aligned}\det \sigma _{j}&=-1,\\\operatorname {tr} \sigma _{j}&=0,\end{aligned}}}
20718:
20713:
18084:
16180:
7943:
16169:{\displaystyle P_{jk}\left|\sigma _{j}\sigma _{k}\right\rangle =\left|\sigma _{k}\sigma _{j}\right\rangle .}
20708:
20109:
19746:
15404:
1663:
565:
19404:
16333:
11191:
10051:{\displaystyle {\frac {\vec {\sigma }}{2}}\times {\frac {\vec {\sigma }}{2}}=i{\frac {\vec {\sigma }}{2}}}
2438:
using the
Clifford algebra recovers the commutation relations above, up to unimportant numerical factors.
1934:
These commutation relations make the Pauli matrices the generators of a representation of the Lie algebra
1352:
in turn useful when any of the matrices (but no particular one) is to be used in algebraic manipulations.
20184:
18539:
17777:
16834:
16798:
16737:
16697:
16002:
15981:
15395:
2 × 2 matrices can be expressed in terms of the identity matrix and the Pauli matrices also leads to the
14802:
is a 3-component, complex vector. It is straightforward to show, using the properties listed above, that
8524:
6474:
6127:
2405:
1928:
531:
11542:{\displaystyle \left({\hat {n}}\cdot {\vec {\sigma }}\right)^{2q+1}={\hat {n}}\cdot {\vec {\sigma }}\,.}
9860:
9587:
7567:
7471:
1672:
20340:
19862:
18848:
17865:
13518:
Consequently, the composite rotation parameters in this group element (a closed form of the respective
8299:
7241:{\displaystyle {\vec {a}}=a(\sin \vartheta \cos \varphi ,\sin \vartheta \sin \varphi ,\cos \vartheta )}
5625:
2251:
610:
462:
16286:{\displaystyle P_{jk}={\frac {1}{2}}\,\left({\vec {\sigma }}_{j}\cdot {\vec {\sigma }}_{k}+1\right)~.}
6033:
5851:{\displaystyle R(U)_{ij}={\frac {1}{2}}\operatorname {tr} \left(\sigma _{i}U\sigma _{j}U^{-1}\right).}
5591:
4272:
4217:
3673:
The Pauli vector provides a mapping mechanism from a vector basis to a Pauli matrix basis as follows:
20444:
20315:
20229:
18534:
17747:
17713:
2943:
48:
19203:
Explicitly, in the convention of "right-space matrices into elements of left-space matrices", it is
17252:
Alternatively, the isomorphism can be achieved by a map using the Pauli matrices in reversed order,
8669:
7103:
4827:
3550:
3514:
3478:
20549:
20439:
20147:
19827:
13335:
8332:
7820:
and allow raising and lowering using the
Minkowski metric tensor. The relation can then be written
7745:
This 4-vector also has a completeness relation. It is convenient to define a second Pauli 4-vector
2244:
These anti-commutation relations make the Pauli matrices the generators of a representation of the
1095:
948:
884:
17889:
17383:
17035:
16949:
14484:
An alternative notation that is commonly used for the Pauli matrices is to write the vector index
9186:{\displaystyle ~~\sigma _{j}\sigma _{k}=\delta _{jk}I+i\varepsilon _{jk\ell }\,\sigma _{\ell }~.~}
1784:
1707:
1064:
1003:
853:
677:
20584:
20513:
20395:
20255:
19852:
19739:
7129:
5258:
5224:
1036:
920:
804:
774:
746:
718:
17579:{\displaystyle P={\vec {x}}\cdot {\vec {\sigma }}=x\,\sigma _{x}+y\,\sigma _{y}+z\,\sigma _{z}.}
17453:
13903:
13826:
13797:
13768:
12404:
5076:{\displaystyle \det(U*{\vec {a}}\cdot {\vec {\sigma }})=\det({\vec {a}}\cdot {\vec {\sigma }}),}
4972:{\displaystyle U*{\vec {a}}\cdot {\vec {\sigma }}:=U\,{\vec {a}}\cdot {\vec {\sigma }}\,U^{-1},}
4477:
3644:
3615:
3586:
20454:
20037:
19842:
15440:
14881:
12526:
4308:
4246:
402:
40:
17054:
to this set is given by the following map (notice the reversed signs for the Pauli matrices):
12212:
In the last line, the first sum is the cosine, while the second sum is the sine; so, finally,
6066:
This cross-product can be used to prove the orientation-preserving property of the map above.
20400:
20137:
19987:
19982:
19817:
19792:
19787:
19513:
19461:
17025:{\displaystyle \left\{\;\mathbf {1} ,\,\mathbf {i} ,\,\mathbf {j} ,\,\mathbf {k} \;\right\}.}
16880:
15400:
8492:
2015:{\displaystyle (\mathbb {R} ^{3},\times )\cong {\mathfrak {su}}(2)\cong {\mathfrak {so}}(3).}
378:
18587:
7940:
Similarly to the Pauli 3-vector case, we can find a matrix group that acts as isometries on
20594:
19952:
19782:
19762:
19585:
19488:
19480:
19363:
18549:
17759:
17755:
16771:
16683:
573:
74:
56:
19623:
16514:, as the Pauli eigenvalues are scaled unconventionally. The conventional normalization is
5722:
8:
20698:
20615:
20589:
20167:
19972:
19962:
18507:
17443:
16775:
10065:
The following traces can be derived using the commutation and anticommutation relations.
5331:
implies that the rotation is orientation preserving. This allows the definition of a map
640:
19589:
19367:
18930:
the rotation angles of the rotation group. That is, the Gibbs formula linked amounts to
14869:{\displaystyle \operatorname {tr} \left(\sigma ^{j}\,\sigma ^{k}\right)=2\,\delta _{jk}}
5869:
20666:
20620:
20610:
20564:
20559:
20488:
20424:
20290:
20027:
20022:
19957:
19947:
19812:
19667:
19635:
19601:
19575:
19379:
18622:
18561:
13883:
12388:
11552:
11225:
9196:
5314:
5290:
4858:
1924:
1912:
1129:
982:
832:
430:
424:
17446:, Pauli matrices are useful in the context of the Cayley-Klein parameters. The matrix
6172:
This follows immediately from tracelessness and explicitly computing the determinant.
20703:
20677:
20661:
20464:
20459:
20449:
20429:
20390:
20385:
20214:
20209:
20194:
20189:
20180:
20175:
20122:
20017:
19967:
19912:
19882:
19877:
19857:
19847:
19807:
19719:
19709:
19684:
19674:
19653:
19643:
19517:
19439:
19429:
17900:
17873:
17709:
16327:
anti-Hermitian matrices with trace 0. Direct calculation, as above, shows that the
15226:
14488:
in the superscript, and the matrix indices as subscripts, so that the element in row
5214:{\displaystyle U*{\vec {a}}\cdot {\vec {\sigma }}={\vec {a}}'\cdot {\vec {\sigma }},}
4208:
1539:
1356:
366:
82:
19605:
19383:
18566:
18213:{\displaystyle \ \Sigma _{k\ell }\equiv \epsilon _{jk\ell }{\mathsf {\Sigma }}_{j}.}
9895:, which is also the definition for the product of two vectors in geometric algebra.
7093:{\displaystyle {\vec {a}}=\left|{\vec {a}}\right|(\epsilon ,0,-(1-\epsilon ^{2}/2))}
4398:{\displaystyle {\text{Mat}}_{2\times 2}(\mathbb {C} )\otimes (\mathbb {R} ^{3})^{*}}
20672:
20640:
20569:
20508:
20503:
20483:
20419:
20325:
20295:
20280:
20260:
20199:
20152:
20127:
20117:
20088:
20007:
20002:
19977:
19907:
19887:
19797:
19777:
19701:
19593:
19555:
19476:
19471:
19371:
18910:. Note that, by virtue of the standard normalization of that group's generators as
18598:
18556:
18518:
7662:
2245:
604:
420:
385:
90:
78:
20265:
8296:
In fact, the determinant property follows abstractly from trace properties of the
7453:{\displaystyle \psi _{-}=(-\sin(\vartheta /2)\exp(-i\varphi ),\cos(\vartheta /2))}
20370:
20305:
20285:
20270:
20250:
20234:
20132:
20063:
20053:
20012:
19897:
19867:
19417:
18592:
17700:
Similar expressions follow for general Pauli vector rotations as detailed above.
2230:
1528:
1328:
457:
437:
in quantum mechanics, so the Pauli matrices span the space of observables of the
44:
19216:
16908:
13870:
7344:{\displaystyle \psi _{+}=(\cos(\vartheta /2),\sin(\vartheta /2)\exp(i\varphi ))}
20630:
20574:
20554:
20539:
20498:
20375:
20335:
20300:
20224:
20163:
20142:
20073:
20058:
19992:
19937:
19927:
19922:
19832:
18726:
18544:
18409:
18286:
17721:
16313:
16024:
15392:
14723:
2030:
1775:
1317:
498:
438:
374:
370:
362:
86:
71:
36:
6272:{\displaystyle \ ({\vec {a}}\cdot {\vec {\sigma }})^{2}-|{\vec {a}}|^{2}=0\ ,}
20692:
20635:
20493:
20434:
20365:
20355:
20350:
20275:
20204:
20078:
20068:
19997:
19917:
19902:
19837:
19723:
19705:
19688:
19657:
19563:
19559:
17885:
17877:
17817:
4299:
2441:
A few explicit commutators and anti-commutators are given below as examples:
1667:
442:
19443:
13327:{\displaystyle \cos c=\cos a\cos b-{\hat {n}}\cdot {\hat {m}}\sin a\sin b~,}
20518:
20475:
20380:
20093:
20032:
19942:
19822:
19597:
19421:
18668:
The Pauli vector is a formal device. It may be thought of as an element of
18576:
18514:
17880:
for higher spin systems in three spatial dimensions, for arbitrarily large
15396:
8557:
the cross-terms vanish. It then follows, now showing summation explicitly,
6060:
2946:
1151:
All three of the Pauli matrices can be compacted into a single expression:
705:
409:
17479:
of a point in space is defined in terms of the above Pauli vector matrix,
8108:{\displaystyle \ \mathrm {SL} (2,\mathbb {C} )\cong \mathrm {Spin} (1,3).}
20360:
20330:
20098:
19932:
19802:
19457:
18842:
18088:
17904:
16943:
16731:
16365:
16328:
16320:
12392:
9583:
6023:{\displaystyle =2i\,({\vec {a}}\times {\vec {b}})\cdot {\vec {\sigma }}.}
5307:
as a rotation of three-dimensional space. In fact, it turns out that the
2931:
1643:
1535:
667:
502:
406:
60:
19346:
18718:{\displaystyle {\mathcal {M}}_{2}(\mathbb {C} )\otimes \mathbb {R} ^{3}}
16791:
are a realization (and, in fact, the lowest-dimensional realization) of
20411:
19872:
19375:
18148:
are also antisymmetric. Hence there are only six independent matrices.
17813:
17717:
15550:
13233:
which specifies the generic group multiplication, where, manifestly,
5866:
The cross-product is given by the matrix commutator (up to a factor of
1817:
671:
600:
434:
19566:(2014). "A compact formula for rotations as spin matrix polynomials".
4331:
Hermitian traceless matrix-valued dual vector, that is, an element of
20645:
20219:
19349:"Imaginary numbers are not Real – the geometric algebra of spacetime"
16309:
8779:{\textstyle \sum _{\mu }x_{\mu }^{2}\det(\sigma ^{\mu })=\eta (x,x).}
2927:
11417:
case using the anticommutation relations. For convenience, the case
20579:
18278:{\displaystyle \ -i\ \Sigma _{0k}\equiv {\mathsf {\alpha }}_{k}\ ,}
17803:
17725:
16779:
9974:{\displaystyle \mathbf {J} \times \mathbf {J} =i\hbar \mathbf {J} }
4460:{\displaystyle {\vec {a}}\mapsto {\vec {a}}\cdot {\vec {\sigma }}.}
569:
19580:
14726:
Hermitian matrices means that we can express any
Hermitian matrix
4677:{\displaystyle {\vec {a}}\mapsto {\vec {a}}\cdot {\vec {\sigma }}}
19731:
19462:"4. Concerning the differential and integral calculus of vectors"
17781:
17606:
may be written in terms of Pauli matrices and the unit matrix as
17423:
may be given in terms of the Pauli matrices in this formulation.
16782:
in three-dimensional space. In other words, one can say that the
14718:
The fact that the Pauli matrices, along with the identity matrix
12728:
provides a parameterization of the composition law of the group
110:
32:
15247:
As noted above, it is common to denote the 2 × 2 unit matrix by
1662:), the Pauli matrices form an orthogonal basis (in the sense of
17920:
17373:
15241:
13867:
Rotation formalisms in three dimensions § Rodrigues vector
14722:, form an orthogonal basis for the Hilbert space of all 2 × 2
7810:{\displaystyle {\bar {\sigma }}^{\mu }=(I,-{\vec {\sigma }}).}
2213:{\displaystyle \sigma _{j}\sigma _{k}+\sigma _{k}\sigma _{j},}
19468:. New Haven, CT: Tuttle, Moorehouse & Taylor. p. 67.
19347:
Gull, S. F.; Lasenby, A. N.; Doran, C. J. L. (January 1993).
18511:
16887:, meaning that there is a two-to-one group homomorphism from
16305:
12490:
2101:{\displaystyle \{\sigma _{j},\sigma _{k}\}=2\delta _{jk}\,I,}
1806:
427:
of Pauli matrices, with all coefficients being real numbers.
94:
27:
Matrices important in quantum mechanics and the study of spin
15274:
The completeness relation can alternatively be expressed as
11314:{\displaystyle {\vec {a}}=a{\hat {n}},\quad |{\hat {n}}|=1,}
6030:
In fact, the existence of a norm follows from the fact that
5588:
This map is the concrete realization of the double cover of
18595:(the first Pauli matrix is an exchange matrix of order two)
18586:
For higher spin generalizations of the Pauli matrices, see
16795:
rotations in three-dimensional space. However, even though
7126:, which yields the correct eigenvectors (0,1) and (1,0) of
18491:{\displaystyle \Sigma _{\mu \nu }={\frac {i}{2}}{\bigl }.}
15439:
as above, and then imposing the positive-semidefinite and
11400:{\displaystyle ({\hat {n}}\cdot {\vec {\sigma }})^{2p}=I,}
8489:
That is, the 'cross-terms' can be written as traces. When
5133:
is
Hermitian and traceless. It then makes sense to define
4692:
The norm is given by the determinant (up to a minus sign)
452:
represents the observable corresponding to spin along the
17780:. In the same way, the Pauli matrices are related to the
15987:
7651:{\displaystyle x_{\mu }\mapsto x_{\mu }\sigma ^{\mu }\ ,}
708:; the entry shows the value of the row times the column.
102:
16067:{\displaystyle \mathbb {C} ^{2}\otimes \mathbb {C} ^{2}}
12483:
while the determinant of the exponential itself is just
8115:
Similarly to above, this can be explicitly realized for
7735:{\displaystyle \det(x_{\mu }\sigma ^{\mu })=\eta (x,x).}
4298:
as a normed vector space and as a Lie algebra (with the
17797:
particles is that they must be rotated by an angle of 4
5712:{\displaystyle {\text{SU}}(2)\cong \mathrm {Spin} (3).}
19554:
18408:
are written in compact form in terms of commutator of
18330:
17967:
15884:
15625:
15561:
15476:
14955:
14908:
14310:
11194:
8707:
8563:
8211:
8162:{\displaystyle \ S\in \mathrm {SL} (2,\mathbb {C} )\ }
7841:
7468:
The Pauli 4-vector, used in spinor theory, is written
6852:
6681:
5384:{\displaystyle R:\mathrm {SU} (2)\to \mathrm {SO} (3)}
4096:
4054:
4002:
3953:
3301:
3250:
3194:
3131:
3063:
3000:
2352:
1470:
1179:
308:
232:
159:
19209:
18936:
18851:
18735:
18674:
18421:
18307:
18226:
18157:
18097:
18042:
17944:
17615:
17488:
17456:
17386:
17261:
17060:
17038:
16974:
16952:
16837:
16801:
16740:
16700:
16546:
16388:
16336:
16192:
16179:
This operator can also be written more explicitly as
16086:
16036:
15878:
15559:
15455:
15280:
15240:, the completeness relation follows as stated above.
15097:
15091:
which can be rewritten in terms of matrix indices as
14890:
14808:
14736:
14525:
13935:
13906:
13886:
13829:
13800:
13771:
13530:
13348:
13239:
12742:
12714:
12538:
12407:
12225:
11568:
11451:
11344:
11245:
10457:
10074:
9987:
9943:
9863:
9603:
9282:
9095:
8802:
8672:
8527:
8495:
8370:
8335:
8302:
8178:
8121:
8041:
7990:
7946:
7826:
7754:
7678:
7608:
7570:
7510:
7474:
7357:
7254:
7162:
7132:
7106:
7003:
6950:
6578:
6525:
6477:
6427:
6285:
6181:
6130:
6080:
6036:
5895:
5872:
5757:
5725:
5665:
5628:
5594:
5542:
5400:
5337:
5317:
5293:
5261:
5227:
5139:
5089:
4988:
4884:
4861:
4830:
4698:
4631:
4513:
4480:
4411:
4337:
4311:
4275:
4249:
4220:
3679:
3647:
3618:
3589:
3553:
3517:
3481:
3353:
2958:
2710:
2460:
2408:
2334:
2286:
2254:
2163:
2117:
2042:
1940:
1829:
1787:
1732:
1710:
1675:
1551:
1370:
1160:
1132:
1098:
1067:
1039:
1006:
985:
951:
923:
887:
856:
835:
807:
777:
749:
721:
680:
613:
534:
465:
119:
8788:
7554:{\displaystyle \sigma ^{\mu }=(I,{\vec {\sigma }}).}
6562:{\displaystyle \ {\vec {a}}\cdot {\vec {\sigma }}\ }
6464:{\displaystyle \ {\vec {a}}\cdot {\vec {\sigma }}\ }
6117:{\displaystyle \ {\vec {a}}\cdot {\vec {\sigma }}\ }
18073:matrices have the same algebraic properties as the
1901:{\displaystyle =2i\varepsilon _{jkl}\,\sigma _{l},}
19666:
19320:
19186:
18869:
18833:
18717:
18490:
18388:
18277:
18212:
18120:
18065:
18025:
17894:Rotation group SO(3) § A note on Lie algebras
17776:of the particles are represented as two-component
17689:
17578:
17471:
17394:
17361:
17242:
17046:
17024:
16960:
16859:
16823:
16762:
16722:
16671:
16482:
16356:
16285:
16168:
16066:
15972:
15862:
15541:
15381:
15236:. Since this is true for any choice of the matrix
15217:
15083:
14868:
14787:{\displaystyle M=c\,I+\sum _{k}a_{k}\,\sigma ^{k}}
14786:
14703:
14462:
14294:
13921:
13892:
13844:
13815:
13786:
13755:
13508:
13326:
13223:
12703:
12471:
12357:
12200:
11541:
11399:
11313:
11216:
11144:
10425:
10050:
9973:
9887:
9810:
9571:
9185:
9075:
8778:
8693:
8658:
8549:
8513:
8478:
8353:
8321:
8285:
8161:
8107:
8028:{\displaystyle \ \mathrm {SL} (2,\mathbb {C} )\ ,}
8027:
7976:
7930:
7809:
7734:
7650:
7591:
7553:
7493:
7452:
7343:
7240:
7145:
7118:
7092:
6989:
6936:
6561:
6511:
6463:
6413:
6271:
6164:
6116:
6051:
6022:
5881:
5850:
5748:can be recovered using the tracing process above:
5740:
5711:
5651:
5614:
5580:
5525:
5383:
5323:
5299:
5279:
5247:
5213:
5126:{\displaystyle U*{\vec {a}}\cdot {\vec {\sigma }}}
5125:
5075:
4971:
4867:
4847:
4816:
4684:, making it manifest that the map is a bijection.
4676:
4617:
4495:
4459:
4397:
4323:
4290:
4261:
4235:
4199:
3662:
3633:
3604:
3575:
3539:
3503:
3467:
3331:
2908:
2694:
2430:
2394:
2318:
2272:
2212:
2149:
2100:
2014:
1900:
1795:
1767:{\displaystyle {\mathcal {M}}_{2,2}(\mathbb {C} )}
1766:
1718:
1692:
1624:
1512:
1298:
1138:
1117:
1083:
1052:
1022:
991:
970:
936:
906:
872:
841:
820:
790:
762:
734:
688:
631:
556:
483:
373:, which takes into account the interaction of the
351:
19535:
19533:
17926:
9782:
9748:
9731:
9697:
9687:
9653:
9646:
9612:
9199:each side of the equation with components of two
7920:
7860:
7156:Alternatively, one may use spherical coordinates
6990:{\displaystyle a_{3}\to -\left|{\vec {a}}\right|}
4592:
4532:
3583:are an equivalent notation for the more familiar
392:(sometimes considered as the zeroth Pauli matrix
20690:
16005:(also known as a permutation) between two spins
12408:
11231:
9582:Finally, translating the index notation for the
8733:
8620:
8564:
8407:
8392:
8371:
7679:
5034:
4989:
4699:
2319:{\displaystyle \mathrm {Cl} _{3}(\mathbb {R} ).}
1556:
501:) also generate transformations in the sense of
18139:. By the antisymmetry of angular momentum, the
16968:, represented by the span of the basis vectors
10449:is also considered, these relationships become
6069:
4824:Then, considering the conjugation action of an
2921:
19530:
15227:summation over the repeated indices is implied
9221:(which commute with the Pauli matrices, i.e.,
19747:
19428:. Cambridge, UK: Cambridge University Press.
19416:
18480:
18450:
7913:
7886:
6569:means it has exactly one of each eigenvalue.
4738:
4704:
4573:
4539:
4305:Another way to view the Pauli vector is as a
361:These matrices are named after the physicist
16474:
16417:
9981:Or equivalently, the Pauli vector satisfies:
8869:
8843:
2395:{\displaystyle \sigma _{jk}={\tfrac {1}{4}}}
2144:
2118:
2069:
2043:
2024:
493:The Pauli matrices (after multiplication by
19470:In fact, however, the formula goes back to
19426:Quantum Computation and Quantum Information
18121:{\displaystyle \ {\mathsf {\Sigma }}_{k}\ }
18066:{\displaystyle \ {\mathsf {\Sigma }}_{k}\ }
12525:) function is provided by application of
7599:to the vector space of Hermitian matrices,
4243:to the vector space of traceless Hermitian
2150:{\displaystyle \{\sigma _{j},\sigma _{k}\}}
20321:Fundamental (linear differential equation)
19754:
19740:
18087:is not a three-vector, but a second order
17013:
16980:
16473:
16458:
16439:
16420:
14479:
12722:A straightforward application of formula
1807:Commutation and anti-commutation relations
1649:With the inclusion of the identity matrix
1635:from which we can deduce that each matrix
19695:
19579:
19539:
19475:
18854:
18824:
18790:
18778:
18744:
18705:
18693:
18036:It follows from this definition that the
17657:
17634:
17562:
17545:
17528:
17388:
17342:
17326:
17315:
17299:
17288:
17226:
17171:
17116:
17040:
17007:
16998:
16989:
16954:
16654:
16643:
16639:
16626:
16615:
16611:
16598:
16587:
16583:
16462:
16454:
16443:
16435:
16424:
16219:
16054:
16039:
15980:with eigenvalue +1, hence it acts like a
15951:
15947:
15933:
15904:
15900:
15841:
15837:
15804:
15800:
15776:
15772:
15753:
15727:
15723:
15699:
15695:
15676:
15652:
15648:
15359:
15345:
15320:
15195:
15176:
15131:
15101:
15057:
15053:
15026:
15022:
15008:
14981:
14970:
14966:
14927:
14923:
14919:
14852:
14830:
14773:
14746:
14684:
14654:
14640:
14615:
14359:
14348:
11535:
9736:
9489:
9384:
9163:
9006:
8149:
8063:
8012:
7952:
7573:
6039:
5968:
5581:{\displaystyle R(U)\in \mathrm {SO} (3).}
4952:
4924:
4375:
4360:
4278:
4269:matrices. This map encodes structures of
4223:
3917:
3890:
3879:
3817:
3806:
3770:
3731:
2306:
2257:
2091:
1946:
1884:
1789:
1757:
1712:
1431:
1253:
1216:
682:
616:
468:
416:Hermitian matrices. This means that any
39:(1900–1958), c. 1924. Pauli received the
19505:
17833:particle, the spin operator is given by
17589:Consequently, the transformation matrix
15449:For a pure state, in polar coordinates,
8361:matrices, the following identity holds:
4504:
4469:
1811:
456:th coordinate axis in three-dimensional
388:, and together with the identity matrix
31:
20626:Matrix representation of conic sections
18651:, hence in it no pre-multiplication by
17816:vectors in the two-dimensional complex
10060:
7977:{\displaystyle \ \mathbb {R} ^{1,3}\ ;}
4625:This constitutes an inverse to the map
4214:More formally, this defines a map from
699:
14:
20691:
19664:
19634:
18501:
18196:
18104:
18049:
17948:
17903:of multiparticle systems, the general
17431:
16364:is the three-dimensional real algebra
15988:Relation with the permutation operator
14516:for the Pauli matrices can be written
12507:matrix can be found in the article on
6944:These expressions become singular for
6471:is diagonal with possible eigenvalues
4503:can be recovered from the matrix (see
1816:The Pauli matrices obey the following
528:form a basis for the real Lie algebra
19735:
19456:
17712:, each Pauli matrix is related to an
16942:is isomorphic to the real algebra of
16770:, which corresponds to the Lie group
11217:{\textstyle \sum _{(\alpha \ldots )}}
2328:The usual construction of generators
19393:– via geometry.mrao.cam.ac.uk.
18523:decomposition of a single-qubit gate
17703:
17411:gives yet another way of describing
16897:relationship between SO(3) and SU(2)
16357:{\displaystyle {\mathfrak {su}}_{2}}
16319:matrices with unit determinant; its
12214:
9840:is identified with the pseudoscalar
9592:
423:can be written in a unique way as a
101:), they are occasionally denoted by
19544:. Addison-Wesley. pp. 109–118.
19512:(2nd ed.). CRC Press. p.
18914:the Pauli matrices, the parameters
17415:. The two-to-one homomorphism from
16860:{\displaystyle {\mathfrak {so}}(3)}
16843:
16840:
16824:{\displaystyle {\mathfrak {su}}(2)}
16807:
16804:
16763:{\displaystyle {\mathfrak {so}}(3)}
16746:
16743:
16723:{\displaystyle {\mathfrak {su}}(2)}
16706:
16703:
16552:
16549:
16394:
16391:
16343:
16340:
12497:A more abstract version of formula
11224:is used to denote the sum over the
9937:satisfies the commutation relation:
8550:{\displaystyle \ \sigma ^{\mu }\ ,}
6512:{\displaystyle \ \pm |{\vec {a}}|.}
6165:{\displaystyle \ \pm |{\vec {a}}|.}
2431:{\displaystyle {\mathfrak {so}}(3)}
2414:
2411:
1995:
1992:
1973:
1970:
557:{\displaystyle {\mathfrak {su}}(2)}
540:
537:
24:
19761:
18809:
18763:
18678:
18588:Spin (physics) § Higher spins
18423:
18240:
18162:
18137:Lorentz transformations on spinors
16875:are not isomorphic as Lie groups.
12122:
12007:
11873:
11758:
11646:
9898:If we define the spin operator as
9888:{\displaystyle a\cdot b+a\wedge b}
8179:
8135:
8132:
8083:
8080:
8077:
8074:
8049:
8046:
7998:
7995:
7592:{\displaystyle \mathbb {R} ^{1,3}}
7494:{\displaystyle \ \sigma ^{\mu }\ }
6279:since this can be factorised into
5693:
5690:
5687:
5684:
5633:
5630:
5599:
5596:
5562:
5559:
5368:
5365:
5348:
5345:
2292:
2289:
1736:
1693:{\displaystyle {\mathcal {H}}_{2}}
1679:
445:. In the context of Pauli's work,
25:
20730:
19474:(1840), replete with half-angle:
19215:
18870:{\displaystyle \mathbb {R} ^{3}.}
18572:Generalizations of Pauli matrices
17812:they are actually represented by
16682:As SU(2) is a compact group, its
13875:
11557:Taylor series for sine and cosine
11410:which can be shown first for the
9963:
9857:then the right hand side becomes
8789:Relation to dot and cross product
8322:{\displaystyle \ \sigma ^{\mu }.}
7984:in this case the matrix group is
7463:
6997:. They can be rescued by letting
6572:Its normalized eigenvectors are
5652:{\displaystyle \mathrm {SU} (2),}
2273:{\displaystyle \mathbb {R} ^{3},}
632:{\displaystyle \mathbb {R} ^{3},}
484:{\displaystyle \mathbb {R} ^{3}.}
20660:
19642:(4th ed.). Addison-Wesley.
18617:This conforms to the convention
17787:An interesting property of spin
17630:
17438:Quaternions and spatial rotation
17332:
17305:
17278:
17263:
17187:
17132:
17077:
17062:
17009:
17000:
16991:
16982:
16867:are isomorphic as Lie algebras,
15578:
9967:
9953:
9945:
7669:convention) in its determinant:
6052:{\displaystyle \mathbb {R} ^{3}}
5861:
5615:{\displaystyle \mathrm {SO} (3)}
4291:{\displaystyle \mathbb {R} ^{3}}
4236:{\displaystyle \mathbb {R} ^{3}}
3342:
576:generated by the three matrices
20528:Used in science and engineering
19628:The Feynman Lectures on Physics
19548:
19509:Geometry, Topology, and Physics
18399:The relativistic spin matrices
17884:, can be calculated using this
17330:
17303:
17276:
17185:
17130:
17075:
13522:in this case) simply amount to
11279:
6758:
4209:Einstein's summation convention
3347:The Pauli vector is defined by
377:of a particle with an external
109:) when used in connection with
19771:Explicitly constrained entries
19700:. Cambridge University Press.
19640:Introductory Quantum Mechanics
19499:
19450:
19410:
19397:
19340:
19197:
19181:
19138:
19123:
19108:
19100:
19057:
19042:
19010:
18978:
18969:
18943:
18879:
18828:
18820:
18803:
18800:
18782:
18774:
18757:
18697:
18689:
18662:
18611:
17933:relativistic quantum mechanics
17927:Relativistic quantum mechanics
17516:
17501:
17463:
17450:corresponding to the position
17336:
17309:
17282:
17267:
17191:
17136:
17081:
17066:
16909:Spinor § Three dimensions
16902:
16854:
16848:
16818:
16812:
16757:
16751:
16717:
16711:
16563:
16557:
16405:
16399:
16254:
16232:
16181:Dirac's spin exchange operator
15872:acts on the state eigenvector
15606:
15591:
15462:
14558:
14533:
14436:
14421:
14401:
14283:
14280:
14274:
14259:
14250:
14235:
14220:
14208:
14202:
14187:
14172:
14160:
14154:
14142:
14120:
14105:
14064:
14042:
14027:
13992:
13986:
13967:
13955:
13946:
13913:
13871:Spinor § Three dimensions
13836:
13807:
13778:
13739:
13698:
13683:
13650:
13617:
13563:
13548:
13474:
13459:
13426:
13393:
13355:
13294:
13279:
13201:
13186:
13134:
13119:
13072:
13031:
13016:
12983:
12950:
12904:
12889:
12834:
12819:
12784:
12769:
12689:
12680:
12671:
12665:
12653:
12638:
12620:
12611:
12602:
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12557:
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12420:
12411:
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7235:
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7169:
7119:{\displaystyle \epsilon \to 0}
7110:
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6652:
6626:
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6550:
6535:
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6485:
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6437:
6402:
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6371:
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6347:
6344:
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6323:
6313:
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6209:
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6185:
6155:
6148:
6138:
6105:
6090:
6011:
5999:
5993:
5978:
5969:
5956:
5950:
5935:
5920:
5905:
5896:
5768:
5761:
5735:
5729:
5703:
5697:
5677:
5671:
5643:
5637:
5609:
5603:
5572:
5566:
5552:
5546:
5514:
5502:
5496:
5484:
5478:
5472:
5463:
5444:
5428:
5413:
5378:
5372:
5361:
5358:
5352:
5268:
5235:
5202:
5183:
5167:
5152:
5117:
5102:
5067:
5061:
5046:
5037:
5028:
5022:
5007:
4992:
4946:
4931:
4912:
4897:
4848:{\displaystyle {\text{SU}}(2)}
4842:
4836:
4801:
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4783:
4770:
4755:
4730:
4715:
4687:
4668:
4653:
4644:
4638:
4606:
4584:
4565:
4550:
4487:
4448:
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4424:
4418:
4386:
4370:
4364:
4356:
3847:
3825:
3790:
3778:
3757:
3751:
3739:
3718:
3705:
3690:
3654:
3625:
3596:
3576:{\displaystyle {\hat {x}}_{3}}
3561:
3540:{\displaystyle {\hat {x}}_{2}}
3525:
3504:{\displaystyle {\hat {x}}_{1}}
3489:
3450:
3418:
3386:
3360:
2425:
2419:
2389:
2363:
2310:
2302:
2006:
2000:
1984:
1978:
1962:
1941:
1856:
1830:
1761:
1753:
551:
545:
13:
1:
20545:Fundamental (computer vision)
19673:(3rd ed.). McGraw-Hill.
19615:
18085:relativistic angular momentum
17915:is defined to consist of all
12732:. One may directly solve for
12724:
12715:The group composition law of
12513:
12499:
11232:Exponential of a Pauli vector
8354:{\displaystyle \ 2\times 2\ }
1118:{\displaystyle -i\sigma _{x}}
971:{\displaystyle -i\sigma _{z}}
907:{\displaystyle -i\sigma _{y}}
568:to the special unitary group
401:), the Pauli matrices form a
18582:Euler's four-square identity
17923:products of Pauli matrices.
17403:forms a group isomorphic to
17395:{\displaystyle \mathbb {H} }
17047:{\displaystyle \mathbb {H} }
16961:{\displaystyle \mathbb {H} }
15391:The fact that any Hermitian
6070:Eigenvalues and eigenvectors
2922:Eigenvectors and eigenvalues
1796:{\displaystyle \mathbb {C} }
1719:{\displaystyle \mathbb {R} }
1084:{\displaystyle i\sigma _{y}}
1023:{\displaystyle i\sigma _{x}}
873:{\displaystyle i\sigma _{z}}
689:{\displaystyle \mathbb {H} }
7:
20311:Duplication and elimination
20110:eigenvalues or eigenvectors
19665:Schiff, Leonard I. (1968).
19540:Goldstein, Herbert (1959).
19466:Elements of Vector Analysis
18540:Spinors in three dimensions
18528:
14475:Rodrigues' rotation formula
12373:
9826:
8521:are chosen to be different
7248:to obtain the eigenvectors
7146:{\displaystyle \sigma _{z}}
5280:{\displaystyle {\vec {a}},}
5248:{\displaystyle {\vec {a}}'}
4875:on this space of matrices,
1929:Einstein summation notation
1053:{\displaystyle \sigma _{z}}
937:{\displaystyle \sigma _{y}}
821:{\displaystyle \sigma _{x}}
791:{\displaystyle \sigma _{z}}
763:{\displaystyle \sigma _{y}}
735:{\displaystyle \sigma _{x}}
89:. Usually indicated by the
10:
20735:
20244:With specific applications
19873:Discrete Fourier Transform
18729:is endowed with a mapping
18604:
17866:fundamental representation
17472:{\displaystyle {\vec {x}}}
17435:
17426:
16906:
14472:
13922:{\displaystyle {\hat {n}}}
13864:
13845:{\displaystyle {\hat {k}}}
13816:{\displaystyle {\hat {m}}}
13787:{\displaystyle {\hat {n}}}
12472:{\displaystyle \det=a^{2}}
11324:one has, for even powers,
4496:{\displaystyle {\vec {a}}}
3663:{\displaystyle {\hat {z}}}
3634:{\displaystyle {\hat {y}}}
3605:{\displaystyle {\hat {x}}}
1542:of the Pauli matrices are
20654:
20603:
20535:Cabibbo–Kobayashi–Maskawa
20527:
20473:
20409:
20243:
20162:Satisfying conditions on
20161:
20107:
20046:
19770:
19624:"The Pauli spin matrices"
19526:– via Google Books.
18898:representation holds for
18535:Algebra of physical space
17748:projective representation
17714:angular momentum operator
14798:is a complex number, and
12489:generic group element of
11228:of the included indices.
5659:and therefore shows that
4324:{\displaystyle 2\times 2}
4262:{\displaystyle 2\times 2}
2930:) Pauli matrices has two
2702:
2025:Anticommutation relations
49:Pauli exclusion principle
19706:10.1017/CBO9780511806117
19698:Essential Quantum Optics
19506:Nakahara, Mikio (2003).
19334:
18655:is necessary to land in
18151:The first three are the
18128:needs to be replaced by
17746:are the generators of a
17598:for rotations about the
16913:The real linear span of
16689:
16299:
15399:representation of 2 × 2
13336:spherical law of cosines
7564:This defines a map from
5287:and therefore interpret
1726:, and the Hilbert space
1704:Hermitian matrices over
19893:Generalized permutation
19696:Leonhardt, Ulf (2010).
17892:. They can be found in
17716:that corresponds to an
17602:-axis through an angle
16504:infinitesimal generator
16379:. In compact notation,
12511:. A general version of
8666:Since the matrices are
8514:{\displaystyle \ A,B\ }
7661:which also encodes the
666:functions identically (
20667:Mathematics portal
19598:10.3842/SIGMA.2014.084
19322:
19188:
18871:
18835:
18719:
18492:
18390:
18279:
18214:
18122:
18067:
18027:
17691:
17580:
17473:
17396:
17363:
17244:
17048:
17026:
16962:
16861:
16825:
16764:
16724:
16673:
16484:
16358:
16287:
16170:
16068:
15974:
15864:
15543:
15383:
15301:
15219:
15085:
14870:
14788:
14705:
14596:
14512:In this notation, the
14464:
14296:
13923:
13894:
13846:
13817:
13788:
13757:
13510:
13328:
13225:
12705:
12473:
12359:
12202:
12126:
12011:
11877:
11762:
11650:
11543:
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11146:
10427:
10052:
9975:
9889:
9812:
9573:
9187:
9077:
8780:
8695:
8660:
8551:
8515:
8480:
8355:
8323:
8287:
8163:
8109:
8029:
7978:
7932:
7811:
7736:
7652:
7593:
7555:
7495:
7454:
7345:
7242:
7147:
7120:
7094:
6991:
6938:
6563:
6513:
6465:
6415:
6273:
6166:
6118:
6059:is a Lie algebra (see
6053:
6024:
5883:
5852:
5742:
5713:
5653:
5616:
5582:
5527:
5385:
5325:
5301:
5281:
5249:
5215:
5127:
5077:
4973:
4869:
4849:
4818:
4678:
4619:
4497:
4461:
4399:
4325:
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4263:
4237:
4201:
3664:
3635:
3606:
3577:
3541:
3505:
3469:
3333:
2910:
2696:
2432:
2396:
2320:
2274:
2214:
2151:
2102:
2029:They also satisfy the
2016:
1902:
1797:
1768:
1720:
1694:
1626:
1514:
1309:where the solution to
1300:
1140:
1119:
1085:
1054:
1024:
993:
972:
938:
908:
874:
843:
822:
792:
764:
736:
690:
633:
558:
485:
353:
52:
43:in 1945, nominated by
41:Nobel Prize in physics
19323:
19189:
18872:
18836:
18720:
18493:
18391:
18280:
18220:The remaining three,
18215:
18123:
18068:
18028:
17692:
17581:
17474:
17397:
17364:
17245:
17049:
17032:The isomorphism from
17027:
16963:
16862:
16826:
16765:
16725:
16674:
16485:
16359:
16288:
16171:
16069:
15975:
15865:
15544:
15405:positive semidefinite
15384:
15281:
15220:
15086:
14871:
14789:
14706:
14576:
14514:completeness relation
14480:Completeness relation
14465:
14297:
13924:
13895:
13847:
13818:
13789:
13758:
13511:
13329:
13226:
12706:
12487:, which makes it the
12474:
12360:
12203:
12106:
11991:
11857:
11742:
11630:
11553:Matrix exponentiating
11544:
11402:
11316:
11219:
11147:
10428:
10053:
9976:
9890:
9813:
9574:
9255:and vector component
9188:
9078:
8781:
8696:
8661:
8552:
8516:
8481:
8356:
8324:
8288:
8164:
8110:
8030:
7979:
7933:
7812:
7737:
7653:
7594:
7556:
7496:
7455:
7346:
7243:
7148:
7121:
7100:and taking the limit
7095:
6992:
6939:
6564:
6519:The tracelessness of
6514:
6466:
6416:
6274:
6167:
6119:
6054:
6025:
5884:
5853:
5743:
5714:
5654:
5617:
5583:
5528:
5386:
5326:
5302:
5282:
5255:has the same norm as
5250:
5216:
5128:
5078:
4974:
4870:
4850:
4819:
4679:
4620:
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