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

情况三:非齐次线性 ODE——Duhamel 与 LCHS

  • 命题框:Duhamel 公式 $u(t) = e^{At}\cdot u_0 + \int_0^t e^{A(t-s)}\cdot b(s)\, ds$
  • 推导/演算步骤:
    1. 常数变易拟设 $u = e^{At}\cdot v$ → $A\cdot e^{At} v + e^{At}\cdot dv/dt = A\cdot e^{At} v + b(t)$ → $dv/dt = e^{-At}\cdot b(t)$
    2. 积分代回:$v(t) = u_0 + \int_0^t e^{-As} b(s)\, ds$,用 $e^{At}\cdot e^{-As} = e^{A(t-s)}$(常数矩阵可交换)得公式
    3. 演算(常值右端,ODE 教材练习 5 第 2 题):$b \equiv b_0$、$A$ 可逆 → $\int_0^t e^{A(t-s)}\, ds\cdot b_0 = A^{-1}(e^{At} - I)\cdot b_0$
    4. 标量代入:$a = -1$、$b_0 = 1$、$u_0 = 0$ → $u(t) = 1 - e^{-t}$;$t = 3$ → $u(3) = 1 - 0.0498 \approx 0.95$
    5. 量子化:时间分片 + $p$ 阶量子求积(每片误差 $O(h^{p+1})$)→ 每步作用 = 酉演化块的线性组合;LCHS 把 $e^{At}$ 严格分解为加权积分 $\int w(\alpha)\cdot e^{-iH(\alpha)t}\, d\alpha$($H(\alpha)$ 由 $H_R$、$H_I$ 组装)
  • 结果框:非齐次项与态制备代价 $O(T^2/\varepsilon)$ → $O(T\cdot\mathrm{polylog}(T/\varepsilon))$——已知近最优的时间依赖
类型definition-derivation