第 25 课 · 态制备、层析与 QRAM——量子数据的进与出 · 模块四:应用与前沿专题

态制备问题:把数据装进振幅

  • 命题框(问题定义):给定 $v = (v_0, \ldots, v_{N-1}) \in \mathbb{C}^N$($N = 2^n$),构造电路 $U$ 使 $U|0\rangle^{\otimes n} = |\psi\rangle = (1/\lVert v\rVert)\cdot\sum_j v_j|j\rangle$;概率分布版 $|\psi\rangle = \sum_j \sqrt{p_j}|j\rangle$,模方 $|\sqrt{p_j}|^2$ = Pr(测得 j)
  • 推导/论证步骤:
    1. 分量计数:$v$ 有 $N = 2^n$ 个复分量,"高效"电路只许 $O(\mathrm{poly}(n))$ 个门 → 信息量差 $2^n/\mathrm{poly}(n)$ = 指数级
    2. 无结构必付指数:任意 $n$ 比特态的制备需要 $\Omega(2^n)$ 个门(第 6 页参数计数证明)
    3. 出路 = 结构吸收不对称:稀疏 $s \ll N$(第 7 页 $O(sn)$)、低纠缠($O(n\chi^2)$)、特定分布($O(n)$)
    4. 地位:HHL 的 $|b\rangle$、量子机器学习训练数据、量子化学初态——几乎所有算法的输入端
  • 结果框:指数信息不对称必须由先验结构吸收;无结构 $\Rightarrow$ 通用门数 $\Theta(2^n)$(下界第 6 页、可达构造第 5–6 页)
类型definition-derivation