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

采样复杂度与中间路线

  • 命题框(霍夫丁界):$X_1, \ldots, X_m$ 独立、取值于 $[a, b]$ → $\Pr[|\bar{X}-\mu| \ge \varepsilon] \le 2\cdot\exp(-2m\varepsilon^2/(b-a)^2)$
  • 推导步骤:
    1. 泡利读出 $X \in \{-1, +1\}$ → $a = -1$、$b = 1$、$(b-a)^2 = 4$ → $\Pr \le 2\cdot e^{-m\varepsilon^2/2}$
    2. 令右端 = 失败概率 $\delta$ → 解出 $m = 2\cdot\ln(2/\delta)/\varepsilon^2 = O(\log(1/\delta)/\varepsilon^2)$
    3. 联合界:$4^n$ 个串各分失败概率 $\delta/4^n$ → 单串 $m = O((n+\log(1/\delta))/\varepsilon^2)$;总副本 $(4^n-1)\cdot m = O(4^n\cdot(n+\log(1/\delta))/\varepsilon^2)$
    4. Frobenius 精度:需每系数 $\Delta_P \le \varepsilon\cdot2^{-n/2}$ → 每串 $O(2^n/\varepsilon^2)$ → 朴素 $O(N^3/\varepsilon^2)$;Haah 等信息论最优 $\Theta(N^2/\varepsilon^2)$
  • 演算($\delta = 0.01$、$\varepsilon = 0.1$):$m = 2\times\ln 200/0.01 = 2\times5.298/0.01 \approx 1060$ 次——单个泡利期望值就要上千次测量
  • $\ell_\infty$ 路线卡:对角元 = 输出分布,$m_{\mathrm{diag}} = \ln(2N/\delta)/(2\varepsilon^2)$ 份副本同时拿下全部 $N$ 个;非对角 $O = |x\rangle\langle y|+|y\rangle\langle x|$ → $\mathrm{tr}(O\rho) = 2\cdot\mathrm{Re}\,\rho_{xy}$、$O' = i(|x\rangle\langle y|-|y\rangle\langle x|)$ → $\mathrm{tr}(O'\rho) = 2\cdot\mathrm{Im}\,\rho_{xy}$;$k$ 个矩阵元 $O(k/\varepsilon^2)$;全部矩阵元 $O(n\cdot(3/2)^n/\varepsilon^2)$(方差来源第 14 页)
  • 稀疏卡:泡利基 $s$-稀疏 → $O(s\cdot\log s/\varepsilon^2)$;压缩感知在 RIP 条件下 $O(s\cdot\log N)$ 次随机测量($\log N$ 来自命中支撑的耦合收集效应)
  • 结果框:复杂度阶梯 $4^n$ → $(3/2)^n$ → $s\cdot\mathrm{poly}$ → $3^k\cdot\log M$——问得越少,付得越少
类型definition-derivation