第 23 课 · Gibbs 态与离散绝热——热平衡的量子制备与绝热演化的离散化 · 模块四:应用与前沿专题

QSVT 实现:多项式逼近与两条组装

  • 命题框:$f(x) = e^{-\beta x}$,谱区间 $[-\lVert H\rVert, \lVert H\rVert]$ 重标到 $[-1,1]$;切比雪夫截断误差 $\le 2M\cdot\rho^{-d}$
  • 推导步骤(Bernstein 椭圆,取椭圆参数 $\rho = e$):
    1. $e^{-\beta x}$ 是整函数 → 可取固定大小椭圆;椭圆上 $\max \mathrm{Re}\, z = (\rho + \rho^{-1})/2 = (e + 1/e)/2 \approx 1.543$
    2. $M = \max_{E_\rho}|f| \le e^{1.543\cdot\beta\lVert H\rVert}$
    3. 演算:$\beta\lVert H\rVert = 10$ → $M \le e^{15.4} \approx 5\times10^6$
    4. 令 $2M\cdot\rho^{-d} \le \varepsilon$:$d \ge \ln(2M/\varepsilon)/\ln\rho = \ln 2 + 1.543\cdot\beta\lVert H\rVert + \ln(1/\varepsilon)$
    5. 演算:$\varepsilon = 0.01$ → $d \ge 0.69 + 15.4 + 4.6 \approx 20.7$ → $d \approx 21$
    6. 一般式:$d = O(\beta\lVert H\rVert + \log(1/\varepsilon))$
  • 组装两行:后选择——以振幅 $\sim e^{-\beta E}/\sqrt{Z'}$ 保留能量本征分支,成功率 $1/\mathrm{poly}$、振幅放大拉回;LCU——$e^{-\beta H}$ 与"剩余部分"组成更大酉(块编码思想),确定性输出混合态、常数更大
  • 结果框:查询复杂度对 $\beta$ 线性 $\Theta(\beta)$(下界见第 8 页);精度只付 $\log(1/\varepsilon)$(截断)+ 迹距离变体的 $1/\varepsilon$ 或 $\log(1/\varepsilon)$
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