第 26 课 · QML I——数据编码、VQE 与 QAOA · 模块四:应用与前沿专题

VQE(二):分子哈密顿量进线路

  • 命题框:$H_{\mathrm{mol}} = \sum_{pq} h_{pq} \cdot a^\dagger_p a_q + (1/2) \cdot \sum_{pqrs} h_{pqrs} \cdot a^\dagger_p a^\dagger_q a_r a_s + h_{\mathrm{nuc}}$(Born-Oppenheimer 近似;$1/2$ 来自电子对重复计数)
  • 推导步骤(JW 映射 + 反对易验证):
    1. Jordan-Wigner:$a^\dagger_j = (\prod_{k<j} Z_k) \otimes \sigma^+_j$,$\sigma^\pm = (X \mp iY)/2$
    2. 恒等式演算:$(1/2)(X - iY) = (1/2)[(|0\rangle\langle 1| + |1\rangle\langle 0|) - i(-i|0\rangle\langle 1| + i|1\rangle\langle 0|)] = |1\rangle\langle 0| = \sigma^+$
    3. 验证 $i = j$:$\{a_j, a^\dagger_j\} = \sigma^-\sigma^+ + \sigma^+\sigma^- = |0\rangle\langle 0| + |1\rangle\langle 1| = I$ ✓
    4. 验证 $i < j$:两条 Z 串重叠处 $Z^2 = I$ 抵消,剩余公共 Z 串含 $Z_i$,$Z_i$ 与 $\sigma_i^-$ 反对易 → 两项相消 → $\{a_i, a^\dagger_j\} = 0$ ✓——JW 是费米子代数的忠实表示
    5. 映射后 $H = \sum_k \alpha_k \cdot P_k$,泡利串条数 $L = O(n^4)$(双电子积分指标 pqrs);代价:算符权重 $O(n)$,Bravyi-Kitaev 降到 $O(\log n)$
  • 演算卡($H_2$):STO-3G 基组 2 空间轨道 = 4 自旋轨道 = 4 比特;参考态 $|\Phi_0\rangle = |0011\rangle$;对称性下单激发梯度为零 → UCCSD 只含 1 个双激发参数 $\theta$;$E_0 \approx -1.1373$ Ha(FCI 精确值),单参数 UCCSD 在精确 Trotter 极限下达同一值
  • 结果框:测量 $\langle H\rangle = \sum_k \alpha_k\langle P_k\rangle$ 逐串(或对易组)进行;量子部分制备 + 测量,经典部分优化,循环至收敛
类型definition-derivation