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

手算一个 $2\times 2$ 例子

  • 题面框:$A = \mathrm{diag}(0.6, 0.8)$(Hermitian,$\alpha = 1$,1 个辅助比特);$U_A = [0.6, 0.8; 0.8, -0.6] \oplus [0.8, 0.6; 0.6, -0.8]$,每块形如 $[d, \sqrt{1-d^2}; \sqrt{1-d^2}, -d]$,平方 $= I$ → $U_A$ 酉 ✓,左上角块 $= A$
  • 演算(逐行代入,结果数值 AMBER 大字):
    1. $W' = U_A\cdot R_0$,$R_0 = \mathrm{diag}(1, -1)$:第一块 $[0.6, -0.8; 0.8, 0.6]$,第二块 $[0.8, -0.6; 0.6, 0.8]$
    2. 读出旋转角:$\theta_0 = \arccos 0.6 \approx 0.927$ rad、$\theta_1 = \arccos 0.8 \approx 0.644$ rad——与定理预言 $\theta_j = \arccos(E_j/\alpha)$ 一致 ✓;特征值 $e^{\pm i\cdot 0.927}$、$e^{\pm i\cdot 0.644}$
    3. 切比雪夫抽查(第一块):$T_2(0.6) = 2\times 0.6^2 - 1 = -0.28$;直接平方 $[0.6, -0.8; 0.8, 0.6]^2$ 的 $(0,0)$ 元 $= 0.6\times 0.6 + (-0.8)\times 0.8 = 0.36 - 0.64 = -0.28$ ✓ 精确吻合
    4. 第二块同法:$T_2(0.8) = 0.28$;平方的 $(0,0)$ 元 $= 0.8^2 - 0.6^2 = 0.64 - 0.36 = 0.28$ ✓
  • 结果框:$(\langle 0|\otimes I)\cdot W'^2\cdot(|0\rangle\otimes I) = T_2(A) = \mathrm{diag}(-0.28, 0.28)$——恒等式数值成立
类型worked-example