第 18 课 · Qubitization 与 QSVT——把任意矩阵函数变成量子电路 · 模块三:现代算法体系

弹药清点:LCU 块编码回顾

  • 命题框:$(\alpha, m, \varepsilon)$-块编码定义不等式 $\lVert A - \alpha\cdot(\langle 0|^{\otimes m}\otimes I)\cdot U_A\cdot(|0\rangle^{\otimes m}\otimes I)\rVert \le \varepsilon$
  • 推导步骤(LCU 左上角块验证,逐行):
    1. 设 $A = \sum \alpha_k\cdot U_k$($U_k$ 酉、$\alpha_k \ge 0$),$\lambda = \sum \alpha_k \ge \lVert A\rVert$
    2. $\mathrm{PREP}|0\rangle^{\otimes m} = |\mathcal{A}\rangle = (1/\sqrt{\lambda})\cdot\sum\sqrt{\alpha_k}\cdot|k\rangle$;$\mathrm{SELECT} = \sum|k\rangle\langle k|\otimes U_k$
    3. 逐项代入 $\langle\mathcal{A}|k\rangle = \sqrt{\alpha_k/\lambda}$:$\langle\mathcal{A}|\mathrm{SELECT}|\mathcal{A}\rangle = (1/\lambda)\cdot\sum\alpha_k\cdot U_k = A/\lambda$
    4. 故 $U_A = \mathrm{PREP}^\dagger\cdot\mathrm{SELECT}\cdot\mathrm{PREP}$ 的左上角块 $= A/\lambda$,即 $(\lambda, m, 0)$-块编码
  • 演算(4 比特横场 Ising,教材例二):$H = -Z_1Z_2 - Z_2Z_3 - Z_3Z_4 - 0.5(X_1+X_2+X_3+X_4)$:项数 $L = 7$;$\lambda = 3\times 1 + 4\times 0.5 = 5$;辅助比特 $m = \lceil\log_2 7\rceil = 3$;PREP 振幅平方和 $= (3\times 1 + 4\times 0.5)/5 = 1$ ✓ 归一化
  • 结果框:块编码 = 入场券,后续一切构造只需 $U_A$ 与常数 $\lambda$(构造三法:LCU / 泡利分解 / 直接构造,第 16 课详述)
类型definition-derivation(回顾页)