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

下半场:求相位问题与优化法

  • 引子(一句):定理保证相位存在——但 $d = 500$ 时这几百个数字从哪来?
  • 命题框:求 $\Phi \in \mathbb{R}^{d+1}$ 使 $\mathrm{Re}\langle 0|U_{QSP}(\Phi; x)|0\rangle = P(x)$ 对一切 $x \in [-1,1]$
  • 推导/演算步骤:
    1. 自由度账目:切比雪夫系数方程 $d+1$ 个(奇偶约束后减半)= 未知相位 $d+1$ 个(对称化后减半)$\Rightarrow$ 方程数 = 未知数,解集离散有限——但非凸,随机初值易掉入"系数对了模长、错了相位"的陷阱
    2. 三重坏脾气:目标常为 minimax 最优(通带等幅纹波)$\Rightarrow$ 可行解处 Hessian 病态;$d \gtrsim 500$ 时相位对扰动极敏感;两套信号约定 $\times$ 相位左排/右排不统一——复现文献数值的头号坑
    3. 优化法损失:$L(\Phi) = (1/\tilde{d})\cdot\sum_j |\mathrm{Re}\langle 0|U_{QSP}(\Phi; x_j)|0\rangle - P(x_j)|^2$,切比雪夫节点 $x_j = \cos((2j-1)\pi/(4\tilde{d}))$,$\tilde{d} \gtrsim 2d$
    4. 演算节点分布:$d = 100$、$\tilde{d} = 200$ $\Rightarrow$ 最靠端点的节点 $x_1 = \cos(\pi/800) \approx 1 - 7.7\times 10^{-6}$;对照均匀 200 点网格最近点距端点 0.01——切比雪夫节点把端点处的采样密度提高约三个数量级
    5. 算法形态:可行性精确为零 $\Rightarrow$ 收敛到零而非停在梯度小处;偏导有精确公式(对 $S(\Phi_k)$ 求导 = 在乘积链中插入 $iZ$)$\Rightarrow$ 牛顿 / LM 免数值微分;残差 $< 10^{-8}$ 后切高精度线性求解;度数递增:先解 $d/8$,低次解补零相位作初值、逐级加倍
  • 结果框:双精度稳定上限——$d \sim 10^2$ 量级无压力、$d \sim 10^3$ 需阻尼 + 递增 + 对称化全开
类型hook(转场页,引子一句)+ definition-derivation