第 16 课 · 块编码——SELECT/PREPARE 与三种构造 · 模块三:现代算法体系

构造二 Pauli 分解:哈密顿量的标准入口

  • 题面:$H = 2Z\otimes I - 3I\otimes X + 5X\otimes Y$(教材练习 3)——泡利字符串 $P = \sigma_1\otimes\cdots\otimes\sigma_n$ 幺模酉 $\Rightarrow$ LCU 直接适用
  • 演算(逐行:符号式 → 代数值 → 结果):
    1. $\lambda = |2| + |-3| + |5| = 10$;项数 $L = 3$ $\Rightarrow$ $m_a = \lceil\log_2 3\rceil = 2$
    2. $|A\rangle = (1/\sqrt{10})(\sqrt{2}|00\rangle + \sqrt{3}|01\rangle + \sqrt{5}|10\rangle) \approx 0.447|00\rangle + 0.548|01\rangle + 0.707|10\rangle$
    3. 各分支概率 = 模方 = $\alpha_P/\lambda$:$2/10 = 0.2$、$3/10 = 0.3$、$5/10 = 0.5$;和 $= 1$ ✓
    4. $\mathrm{SELECT} = \sum_P|P\rangle\langle P|\otimes P$;每个受控泡利串 $O(n)$ 门(基变换把 $\sigma_i$ 共轭到 $Z$ → CNOT 链 + 受控相位 → 逆变换)
    5. 门数:$C_{U_H} = O(L\cdot n + \mathrm{poly}(m_a))$,本例 $L\cdot n = 3\times 2$
  • 结果框:Pauli 分解 = LCU 特例,$\lambda = \sum_P|\alpha_P|$、$m_a = \lceil\log_2 L\rceil$;SELECT 的 $O(n)$ 实现是哈密顿量入编码的标准入口
类型worked-example