第 22 课 · 量子 ODE/PDE 求解器——从哈密顿量模拟到 Schrödingerization · 模块四:应用与前沿专题

问题定义与输出约定

  • 命题框:ODE 初值问题 $du/dt = f(u, t)$、$u(0) = u_0 \in \mathbb{R}^d$;线性 $du/dt = A(t)\cdot u + b(t)$;发展型 PDE $\partial_t u = L[u] + f$、$u(x, 0) = u_0(x)$
  • 推导/演算步骤:
    1. 线性判别例:Lotka–Volterra $dx/dt = \alpha x - \beta xy$、$dy/dt = \delta xy - \gamma y$ 含二次项 $xy$ → 非线性(第 11 页 Carleman 的对象)
    2. PDE 分类行:抛物型 $\partial_t u = \alpha\Delta u$(热)/ 双曲型 $\partial_{tt} u = c^2\Delta u$(波)/ 椭圆型 $\Delta u = f$(Poisson,无时间变量)/ 混合型(Navier–Stokes)
    3. 输出演算(ODE 教材练习 1 第 2 题):$u(T) = (3, 4)$ → $\lVert u(T)\rVert = \sqrt{3^2+4^2} = \sqrt{25} = 5$ → $|u(T)\rangle = (3/5)|1\rangle + (4/5)|2\rangle$
    4. 测量概率:$P(1) = (3/5)^2 = 9/25 = 0.36$,$P(2) = (4/5)^2 = 16/25 = 0.64$,和 $= 0.36+0.64 = 1$ ✓
  • 结果框:量子输出 = 与解成比例的态 $|u(T)\rangle$ 或泛函 $\langle u(T)|M|u(T)\rangle$;完整读出需 $O(d)$(PDE 为 $O(N^d)$)次测量,会抵消量子加速
类型definition-derivation