第 17 课 · 量子信号处理——多项式变换与相位因子 · 模块三:现代算法体系

切比雪夫:QSP 的自然基

  • 命题框:$T_n(\cos\theta) = \cos n\theta$;$U_n(\cos\theta) = \sin((n+1)\theta)/\sin\theta$;两者共用递推 $f_{n+1} = 2x\cdot f_n - f_{n-1}$
  • 推导/演算步骤:
    1. 前几项:$T_0 = 1$、$T_1 = x$、$T_2 = 2x^2 - 1$;$U_0 = 1$、$U_1 = 2x$
    2. 演算 $x = 1/2$:$T_2(1/2) = 2\cdot(1/4) - 1 = -1/2$;$U_1(1/2) = 2\cdot(1/2) = 1$
    3. 恒等式 A:$T_n = x\cdot T_{n-1} - (1-x^2)\cdot U_{n-2}$(代入 $x = \cos\theta$,分子化简后由余弦差公式收口);恒等式 B:$U_{n-1} = T_{n-1} + x\cdot U_{n-2}$(正弦和公式收口)
    4. 全零相位断言:$\Phi = 0$ $\Rightarrow$ $U_{QSP} = W^d = [[T_d, i\sqrt{1-x^2}\cdot U_{d-1}; i\sqrt{1-x^2}\cdot U_{d-1}, T_d]]$;$d = 1$ 直接成立($T_1 = x$、$U_0 = 1$);归纳步由乘积公式得 $P = x\cdot T_{d-1} - (1-x^2)\cdot U_{d-2}$、$Q = T_{d-1} + x\cdot U_{d-2}$,用 A、B 恰好收口为 $T_d$、$U_{d-1}$
    5. 演算核对 $W(1/2)^2$:$(0,0)$ 元 $= x^2 - (1-x^2) = 2x^2 - 1 = T_2(1/2) = -1/2$ ✓;$(0,1)$ 元 $= 2i\cdot x\cdot\sqrt{1-x^2} = i\cdot\sqrt{3}/2 = i\sqrt{1-x^2}\cdot U_1(1/2)$ ✓
  • 结果框:副产品恒等式 $T_d^2 + (1-x^2)\cdot U_{d-1}^2 = 1$ 正是酉性约束的特例;一般可行 $P = \sum_{k \le d, k \equiv d \pmod 2} a_k\cdot T_k$——相位的职责是把切比雪夫系数"编织"进电路
类型definition-derivation