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

VQE(四):梯度与测量的成本表

  • 命题框(参数平移规则):$G_k^2 = I$ 时 $\partial\langle H\rangle/\partial\theta_k = (1/2)[\langle H\rangle(\theta_k + \pi/2) - \langle H\rangle(\theta_k - \pi/2)]$;谱隙 $\Delta$ 情形 $(\Delta/4) \cdot [\cdot]_{\pm\pi/\Delta}$——能量函数本是频率 $\Delta/2$ 的正弦波;每参数 2 次电路执行,$P$ 个参数共 $2P$ 次
  • 演算卡一(PSR 验证):$E(\theta) = \langle 0|R_x(\theta)^\dagger \cdot Z \cdot R_x(\theta)|0\rangle = \cos\theta$;PSR 给 $(1/2)[\cos(\theta + \pi/2) - \cos(\theta - \pi/2)] = (1/2)[-\sin\theta - \sin\theta] = -\sin\theta = d(\cos\theta)/d\theta$ ✓——解析梯度,非有限差分
  • 推导卡(测量次数):单次测量 $X = \pm 1$、$X^2 = 1$ → $\mathrm{Var}[X] = 1 - \langle P_k\rangle^2 \le 1$;$m$ 次均值方差 $\mathrm{Var}/m$ → 标差 $\le \epsilon$ ⇔ $m \ge \mathrm{Var}/\epsilon^2$;Chebyshev 与 Hoeffding 都给 $m = O(1/\epsilon^2)$(Hoeffding:$m \ge 2\ln(2/\delta)/\epsilon^2$)
  • 演算卡二:$\langle P_k\rangle = 0$($\mathrm{Var} = 1$)、$\epsilon = 0.01$ → $m \ge 1/(0.01)^2 = 10^4$ 次测量/串
  • 推导卡(最优分配):$\min \sum m_k$ s.t. $\sum \alpha_k^2\sigma_k^2/m_k = \epsilon^2$ → 拉格朗日 $1 - \lambda \cdot \alpha_k^2\sigma_k^2/m_k^2 = 0$ → $m_k \propto |\alpha_k|\sigma_k$;总次数 $(\sum|\alpha_k|\sigma_k)^2/\epsilon^2 \le O(n^4/\epsilon^2)$
  • 分组卡:QWC 字符串同轮测量(如 $\{X_0 X_1, X_0, X_1\}$ 同换 X 基);典型分子独立测量轮数降到 $O(n^3)$ 量级
类型definition-derivation