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

数值实例:横场 Ising 链与交换子标度

  • 题面:$H = -J\cdot\sum_i Z_i Z_{i+1} - h\cdot\sum_j X_j$,$n = 10$、$J = 1$、$h = 0.5$、$t = 1$、$\varepsilon = 0.01$;$L = 19$ 项(9 个 ZZ 项 $A_i$ + 10 个 X 项 $B_j$)
  • 演算步骤:
    1. 交换子计数:$Z_i X_i = iY_i$、$X_i Z_i = -iY_i$ → 仅共享比特的对 $(A_i, B_j)$($j \in \{i, i+1\}$)非零,$\lVert[A_i, B_j]\rVert = 2Jh = 1$;共 $2(n-1) = 18$ 对 → $\Lambda_2 = 18\times 1 = 18$
    2. 一阶:$r \ge \Lambda_2 t^2/\varepsilon = 18/0.01 = 1800$ 步;每步 $9\times 3+10\times 1 = 37$ 门 → 总计 $\approx 1800\times 37 \approx 6.7\times 10^4$ 门
    3. 二阶:三重嵌套计数 $\Lambda_3 = 18\times 5 - 2\times 2 = 86$ → $r \ge \sqrt{\Lambda_3 t^3/\varepsilon} = \sqrt{86/0.01} \approx 93$ 步;每步 $2\times 37 = 74$ 门 → $\approx 93\times 74 \approx 6.9\times 10^3$ 门
    4. 最坏情形对比:$C(19,3) = 969$ 个三元组 $\times$ 最大范数 $4J^2 h = 2$ → $\Lambda_3 \gtrsim 2000$、$r \gtrsim 450$——高估约 5 倍(Childs 等 2021 交换子标度的价值:只对非零交换子求和)
    5. 延伸:$H_2$ 分子 4 比特 15 项($\lambda \approx 2.70$、$\Lambda_2 \le 6.30$、$\Lambda_3 \le 34$),$t = 1$、$\varepsilon = 10^{-3}$ → 一阶 6300 步 vs 二阶 185 步($\approx 5\times 10^5$ vs $\approx 3\times 10^4$ 门);换 $t = 5$、误差 0.1:二阶 $r \approx \sqrt{86\times 125/0.1} \approx 328$ 步 vs 一阶 4500 步——$t$ 的幂次主导步数增长
  • 结果框:二阶 93 步干完一阶 1800 步的活;局限:误差随 $t$ 多项式增长、高阶门数指数增长——理论上被 Qubitization+QSP 超越($1/\varepsilon$ 对 $\log(1/\varepsilon)$),但 Trotter 无需块编码与后选择,NISQ 时代仍最常用
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