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

确定性构造与两法对比

  • 命题框(两步图纸):① Fejér–Riesz 谱分解从 $|P|^2 + (1-x^2)|Q|^2 = 1$ 解出补多项式 $Q$($x = \cos\theta$ 代入化为三角多项式恒等式);② 逐层剥除 $e^{2i\Phi_d} = p_d/q_{d-1}$——每层一次除法 + 一次 arctan,共 $O(d)$ 层;整体 $O(d^2)$(快速多项式乘法近线性);精确 arccos 变体把稳定上限推到 $d \sim 10^4$
  • 演算($d = 1$、$P(x) = x$,手算剥层全过程):
    1. 可行性方程定 $Q$:$|x|^2 + (1-x^2)\cdot|Q|^2 = 1$ $\Rightarrow$ $|Q|^2 = 1$ $\Rightarrow$ $Q = 1$($\deg \le 0$ ✓)
    2. 矩阵展开:先乘 $W(x)\cdot S(\Phi_1)$,再左乘 $S(\Phi_0)$ $\Rightarrow$ $[U_{QSP}]_{00} = x\cdot e^{i(\Phi_0+\Phi_1)}$、$Q = e^{i(\Phi_0-\Phi_1)}$
    3. 配平:$\mathrm{Re}\langle 0|U_{QSP}|0\rangle = x\cdot\cos(\Phi_0+\Phi_1) = x$ $\Rightarrow$ $\Phi_0 + \Phi_1 = 0$;$\Phi_0 - \Phi_1 = 0$ $\Rightarrow$ $\Phi_0 = \Phi_1 = 0$
    4. 剥层公式核对:$e^{2i\Phi_1} = p_1/q_0 = 1/1 = 1$ $\Rightarrow$ $\Phi_1 = 0$ ✓(与步骤 3 一致)
  • 对比表格(两栏五行):初值——需度数递增策略 / 免初值;复杂度——每次牛顿 $O(d^2)$、共 $O(\log d)$ 级 / $O(d^2)$ 可加速;双精度稳定上限——$d \sim 10^3$ / $d \sim 10^4$;灵活性——可加正则化、软约束 / 只解标准问题;实现门槛——中(雅可比易错)/ 高(谱分解与剥层细节多)
  • 结果框(建议条):$d \lesssim 500$ 用优化法(实现简单、可交叉验证),大规模或批量用确定性构造;同一 $P$ 两法所得 $\Phi$ 重建的 $\langle 0|U_{QSP}|0\rangle$ 曲线必须完全一致——互为验证器
类型worked-example + comparison