Notes on Quantum Control

角運動量演算子の回転

このページでは、\(e^{-i\theta I_z}I_x e^{i\theta I_z}\) の公式と、簡単な導出を示す。

記号の準備

x,y,z方向の角運動量演算子 \(I_x, I_y, I_z\)
このサイトでは \(\hbar = 1\) とする。

公式

このページでは、以下の公式を導く。

\[e^{-i\theta I_z}I_x e^{i\theta I_z} = I_x \cos\theta + I_y \sin\theta\]
この式は x, y, z を巡回させても成り立つ。

導出

導出には、アダマール公式

\[e^A B e^{-A} = \sum_{n=0}^\infty \frac{1}{n!} \underbrace{[A,[A,\cdots,[A}_n,B]\cdots]\tag{1}\]
を使う。以下、\(A\) と交換子をとるという作用をする演算子 \(\ad_A\),
\[\ad_A B= [A,B]\tag{2}\]
を用いる。

また、角運動量演算子の交換関係が

\begin{align} \ad_{l_z}l_x &= [l_z,l_x] = il_y\\ \ad_{l_z}^2l_x &= [l_z,[l_z,l_x]] = i[l_z,l_y] = i (-il_x) = l_x \end{align}
となっていることも用いる。

数式を追うだけで導けるので、以下に一気に計算過程を示す。

\begin{align} \exp\left(-i\theta I_z\right)I_x\exp\left(i\theta I_z\right) &= \sum_{n=0}^\infty \frac{(-i\theta)^n}{n!} \ad_{I_z}^n I_x\\ &= \sum_{n=0}^\infty \frac{(-i\theta)^{2n}}{(2n)!} \ad_{I_z}^{2n} I_x+\sum_{n=0}^\infty \frac{(-i\theta)^{2n+1}}{(2n+1)!} \ad_{I_z}^{2n+1} I_x\\ &= \sum_{n=0}^\infty \frac{(-i\theta)^{2n}}{(2n)!} I_x+\sum_{n=0}^\infty \frac{(-i\theta)^{2n+1}}{(2n+1)!} (iI_y)\\ &=I_x\sum_{n=0}^\infty \frac{(-i\theta)^{2n}}{(2n)!}+iI_y\sum_{n=0}^\infty \frac{(-i\theta)^{2n+1}}{(2n+1)!} \\ &=I_x\sum_{n=0}^\infty \frac{(-1)^n \theta^{2n}}{(2n)!}+I_y\sum_{n=0}^\infty \frac{(-1)^n \theta^{2n+1}}{(2n+1)!} \\ &=I_x\cos\theta + I_y\sin\theta \end{align}
角運動量演算子に慣れる良い練習になると思うので、ぜひ自分で計算してみてほしい。


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