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

三个算例的数值核对

  • 算例 1($K_3$ Max-Cut):
    1. $H_P = (1/2)\cdot\sum_{(i,j)\in E}(Z_iZ_j - I)$(符号取反得平凡解);谱核对:全同组态(2 个)→ $(1/2)(3-3) = 0$,单翻转组态(6 个)→ $(1/2)(1-3) = -2$ $\Rightarrow$ $\lVert H_P\rVert = 2$、基态 6 重简并;$\lVert H_B\rVert = 3$、$\lVert H'\rVert \le 5$
    2. 对称扇区偶宇称块 $H_{\mathrm{even}}(s) = [[0, -\sqrt{3}(1-s)], [-\sqrt{3}(1-s), -2]]$;两能级公式 $\Delta = \sqrt{\text{对角差}^2 + 4\cdot\text{非对角}^2} = \sqrt{4 + 12(1-s)^2} = 2\sqrt{1+3(1-s)^2} \in [2, 4]$ $\Rightarrow$ 有效 $\Delta_{\min} = 2$(朴素估计仅 0.5)
    3. $\varepsilon = 0.1$:$T \ge \lVert H'\rVert/(\varepsilon\Delta_{\min}^2) = 5/(0.1\times4) = 12.5$ → 取 $T = 15$
    4. 冻结:$r \ge T\lVert H'\rVert/2\varepsilon = 75/0.2 = 375$;Trotter:$\lVert[H_B,H_P]\rVert \le 2\cdot\lVert H_B\rVert\cdot\lVert H_P\rVert = 12$ → $r \ge T^2\cdot12/4\varepsilon = 225\times12/0.4 = $ 6750(大数字)
    5. 注:数值实验中 $r \sim 10$ 已近成功概率 1——可证界远松于实际
  • 算例 2(TFIM 临界):$\varepsilon_k = 2\sqrt{J^2+h^2-2Jh\cdot\cos k}$,$\Delta = \min_k \varepsilon_k = 2|J-h| = 2|2s-1|$;临界 $s = 1/2$ 处 $\varepsilon_k = 2|\sin(k/2)|$、最小非零动量 $k_{\min} = 2\pi/n$ → $\Delta_{\min} = 2\cdot\sin(\pi/n) \approx 2\pi/n$($n = 100$ → $\approx 0.063$;有限尺寸标度,非 Goldstone);线性 $O(n^3)$ → 局域 $O(n^2)$
  • 算例 3(绝热搜索):$\Delta(s) = \sqrt{(2s-1)^2 + 4s(1-s)/N}$,最小在 $s^* = 1/2$ → $\Delta_{\min} = 1/\sqrt{N}$($N = 10^6$ → $10^{-3}$);$\lVert H'\rVert$:秩 1 投影之差矩阵迹 0、行列式 $-(1-1/N)$ → 本征值 $\pm\sqrt{1-1/N}$;Roland–Cerf 换元 $u = 2s-1$($4s(1-s) = 1-u^2$)+ $\int du/(1+(N-1)u^2) = (1/\sqrt{N-1})\cdot\arctan(\sqrt{N-1}\cdot u)$ → $T = (\sqrt{N}/\varepsilon)\cdot\arctan\sqrt{N-1} = (\pi/2\varepsilon)\cdot\sqrt{N}$;演算 $N = 10^6$、$\varepsilon = 0.1$:$T \approx (\pi/2)\times1000/0.1 \approx 1.57\times10^4$,线性调度 $O(N/\varepsilon) = 10^7$ → 省 $(2/\pi)\cdot\sqrt{N} \approx 637$ 倍——精确复现 Grover
类型worked-example(三组逐行代入,大数字用琥珀色)