第 19 课 · 前沿应用——GQSP-QETU、LCHS 与薛定谔化 · 模块三:现代算法体系

从恒等式到算法:五步与复杂度

  • 命题框:把积分恒等式变成 LCU 电路,核心指标 $\lVert c\rVert_1 = 1+O(\varepsilon)$——LCU 开销不爆炸,成功概率只含物理衰减
  • 五步流水线(每步带公式与数值):
    1. 截断 $[-K, K]$:误差 = $1 - (2/\pi)\arctan K$;演算 $K = 1$ → 误差 $= 1 - (2/\pi)(\pi/4) = 0.5$;由 $\arctan(1/K) \approx 1/K$,误差 $\approx 2/(\pi K) \le 0.01$ → $K \ge 200/\pi \approx 64$
    2. 梯形离散化:$c_j = w_j/(\pi(1+k_j^2)) > 0$ 全正(免相位修正);$\lVert c\rVert_1 \approx \int_{-K}^{K} dk/(\pi(1+k^2)) = (2/\pi)\arctan K = 1 - O(1/K)$
    3. 实现酉因子:等差结构 $e^{-iLk_j s} = e^{iLKs}\cdot(e^{-iL(2K/M)s})^j$——二进制分解后受控选择仅需 $O(\log M)$ 次受控幂次
    4. 组装 LCU:$O_{\mathrm{coef}}$ → 受控演化序列 → $O_{\mathrm{coef}}^\dagger$
    5. 后选择 + 振幅放大:$P \approx \lVert u(T)\rVert^2/\lVert u_0\rVert^2$(纯耗散例 $\lVert u(T)\rVert = e^{-\gamma T}\lVert u_0\rVert$ → $P \approx e^{-2\gamma T}$);放大轮数 $O(q)$,$q = \lVert u_0\rVert/\lVert u(T)\rVert$
  • 演算(教材例一,完整数值):$A = \mathrm{diag}(1, 2, 4)$、$T = 1$、$u_0 = (1,1,1)^T/\sqrt{3}$:
    1. 逐分量 Poisson 核:$e^{-At} = \mathrm{diag}(e^{-t}, e^{-2t}, e^{-4t})$
    2. $\lVert u(T)\rVert^2 = (e^{-2} + e^{-4} + e^{-8})/3 \approx (0.1353 + 0.0183 + 0.0003)/3 \approx 0.0513$
    3. $\lVert u(T)\rVert \approx 0.227$ → $q \approx 4.4$ → 振幅放大约 5 轮
  • 结果框:总查询 $\tilde{O}(\Gamma_p^{1+1/p}\cdot q^{2+2/p}\cdot T^{1+1/p}/\varepsilon^{1+2/p})$;态制备 $O(q)$ 匹配下界 $\Omega(q)$(亚线性则蕴含 $\mathrm{BQP} = \mathrm{PP}$)
类型worked-example(五步流水线 + 数值演算)