第 15 课 · Shor 离散对数与 Trotter 哈密顿模拟 · 模块三:现代算法体系

一阶 Trotter:切成小步

  • 命题框:Lie–Trotter 极限 $e^{(A+B)t} = \lim_{r\to\infty} (e^{At/r}\cdot e^{Bt/r})^r$(Trotter 1959;Lloyd 1996 量子应用——误差界本身是该极限的构造性证明)
  • 推导/演算步骤:
    1. 电路:$\delta = t/r$,$S_1(t) = (\prod_{k=1}^{L} e^{-i\alpha_k H_k\delta})^r$——每步依次施加 $L$ 个指数因子,共 $r$ 步
    2. 误差界:$\lVert e^{-iHt} - S_1(t)\rVert = O(\Lambda_2 t^2/r) + O(\lambda^3 t^3/r^2)$;$\Lambda_2 = \sum_{i<j} \lVert[H_i', H_j']\rVert$(只对非零交换子求和),$\lambda = \sum_k |\alpha_k|$
    3. 泡利字符串上界:$\lVert[H_i', H_j']\rVert \le 2|\alpha_i\alpha_j|$ → $\Lambda_2 \le \lambda^2 - \sum_k \alpha_k^2 \le \lambda^2$
    4. 演算($L = 3$、$\alpha_1 = \alpha_2 = \alpha_3 = 1$):$\lambda = 3$ → 上界 $\Lambda_2 \le 3^2-3 = 6$;取 $H_1 = X$、$H_2 = Y$、$H_3 = Z$ 两两反对易、每个交换子范数 = 2 → $\Lambda_2 = 3\times 2 = 6$,等号成立 ✓
  • 结果框:选步数 $r \ge \Lambda_2 t^2/\varepsilon$;误差 $1/r$ 衰减、$t^2$ 增长、只通过 $\Lambda_2$ 依赖 $H$——文献 $O(s^2 t^2/r)$ 的 $s^2$ 来自 $C(s,2)$ 个指标对
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