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

PDE I:热方程与波方程

  • 命题框:热方程模式解 $\hat{u}_k(t) = e^{-\alpha k^2 t}\cdot\hat{u}_k(0)$(由 $\Delta e^{ikx} = -k^2\cdot e^{ikx}$);波方程 Hermitian 化 $M = [[0, B], [-B, 0]]$、$B = c\cdot(-\Delta)^{1/2}$ → $M^\dagger = -M$
  • 推导/演算步骤(热):
    1. 代入 $u = \sum \hat{u}_k(t)e^{ikx}$ 逐项比对系数:$d \hat{u}_k/dt = -\alpha k^2\cdot\hat{u}_k$ → 模长严格衰减——传播子 $e^{\alpha\Delta t}$ 是收缩半群、非酉
    2. 演算(PDE 教材练习 5 第 1 题):$\alpha = 1$、$k = 2$、$t = 0.1$ → $e^{-0.4} \approx 0.67$(该模式幅缩到 67%)
    3. 三条量子路线:Schrödingerization($\mathcal{K} = \alpha\Delta_h\otimes P$ + 后选择)/ QSVT 多项式逼近 $e^{\alpha x t}$ / Crank–Nicolson $(I - \alpha\Delta t/2\cdot\Delta_h)u^{m+1} = (I + \alpha\Delta t/2\cdot\Delta_h)u^m$($\kappa = O(N^2)$)
  • 推导步骤(波):
    1. 朴素降阶生成矩阵 $[[0, I], [c^2\Delta, 0]]$ 的共轭转置是 $[[0, c^2\Delta], [I, 0]] \ne$ 原阵(除非 $c^2\Delta = I$)→ 非 Hermitian
    2. 换元 $\psi = (B\cdot u, v)^{\top}$:$\partial_t(Bu) = Bv$、$\partial_t v = -B(Bu)$ → $M = [[0,B],[-B,0]]$;由 $B = B^\dagger$ 直接验算 $M^\dagger = -M$ → $e^{Mt}$ 酉、能量范数 $\lVert Bu\rVert^2 + \lVert v\rVert^2$ 守恒
    3. 单模式演算:$u = \cos(ckt)\cdot\cos(kx)$ → $\lVert\psi\rVert^2 = c^2k^2(\cos^2+\sin^2) = c^2k^2$;代入 $c = 1$、$k = 2$ → $\lVert\psi\rVert^2 = 4$ 为常数 ✓
  • 结果框:热的困难 = 收缩(后选择/振幅放大),波的困难 = 换范数(能量范数);对流彩蛋:中心差分 $D_x^\dagger = -D_x$ → 传播子天然酉(迎风格式破坏反对称 → 改走 Schrödingerization/LCHS)
类型definition-derivation(双栏:热|波)