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

层析:读出一个态有多贵

  • 命题框:$\rho$ 厄米、半正定、迹一 → 独立实参数 $N^2-1 = 4^n-1$;完整重建需 $\Omega(N^2)$ 份副本
  • 推导步骤:
    1. 参数计数:$N\times N$ 厄米 = $N$ 个实对角元 + $N(N-1)/2$ 个复非对角元 $= N + 2\cdot N(N-1)/2 = N^2$ 个实自由度;迹一约束消去 1 → $N^2-1$
    2. 泡利展开:$\mathrm{tr}(PQ) = N\cdot\delta_{PQ}$ → 设 $\rho = \sum_Q c_Q\cdot Q$,两边左乘 $P$ 取迹得 $c_P = \mathrm{tr}(P\rho)/N$ → $\rho = (1/N)\cdot\sum_P \mathrm{tr}(P\rho)\cdot P$
    3. 读出:$Z$ 基恒等、$X$ 基加 H、$Y$ 基加 $HS^\dagger$(验证 $S^\dagger|+i\rangle = (|0\rangle+|1\rangle)/\sqrt{2} = |+\rangle$ → $H|+\rangle = |0\rangle$);变量 $X(b) = \Pi_i(-1)^{b_i}$ 满足 $\mathbb{E}[X] = \mathrm{tr}(P\rho)$
    4. 非物理性:线性反演 $\hat{\rho} = (1/N)(I + \sum_{P\ne I} \hat{f}_P\cdot P)$ 无偏,但半正定是 $4^n$ 个非线性约束——线性无偏保证不了
    5. MLE:$\ell(\rho) = \sum_i[m_i^+\cdot\ln((1+\mathrm{tr}(P_i\rho))/2) + m_i^-\cdot\ln((1-\mathrm{tr}(P_i\rho))/2)]$ 是凹函数、约束集(半正定迹一)是凸集 → 输出必合法
  • 演算:
    1. 反例:$\hat{f}_X = 0.9$、$\hat{f}_Y = 0.9$ → $\hat{\rho} = (1/2)(I + 0.9X + 0.9Y)$,Bloch 向量长 $\sqrt{0.81+0.81} = \sqrt{1.62} \approx 1.27 > 1$ → $\lambda = (1\pm1.27)/2$,出现约 $-0.14$ 的负特征值
    2. 规模:$n = 3$ → $N = 8$、参数 $4^3-1 = 63$;$n = 50$ → $4^{50} \approx 10^{30}$ → 标准层析 $O(4^n/\varepsilon^2)$ 只伺候得住十来个比特
  • 结果框:泡利层析"层析完备"但 $O(4^n/\varepsilon^2)$;MLE 修复物理性、代价是 $4^n$ 维空间上的凸优化
类型definition-derivation