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

演示:用 VQE 求 $H_2$ 基态能量

  • 主信息:从四项哈密顿量到收敛曲线,155 次求值压到机器精度
  • 内容要点:
    • 目标体系卡片:$H_2$ 简化模型 $H = -1.0523 \cdot ZZ + 0.39793 \cdot ZI - 0.39793 \cdot IZ + 0.18093 \cdot XX$(单位 Hartree,第 $i$ 个字符作用在第 $i$ 个比特);精确对角化参照 $E_0 = -1.23323$ Ha、能隙约 0.36 Ha
    • 期望值卡片:pauli_expectation 的基变换原理——Z/I 不动,X 基测量前加 $H$ 门、Y 基前加 $S^\dagger$ 再加 $H$,全部转成 Z 测量按"偶宇称 − 奇宇称"统计;Bell 态热身:$\langle ZZ\rangle = +1$、$\langle XX\rangle = +1$、$\langle YY\rangle = -1$
    • 拟设卡片:hea(n_qubits=2, depth=2) 共 8 参数(每层每比特 RZ+RY,RING 拓扑每层 2 个 CNOT,CNOT 无参数);默认初始化下 $E = -0.904902$ Ha,离基态还差 0.33 Ha
    • 端到端卡片:run_vqe_workflow(默认 COBYLA 无梯度优化器)155 次求值从 $-0.904902$ 收敛到 $-1.233230$ Ha,偏差 $|E - E_0| = 7.55 \times 10^{-10} \ll$ 化学精度 $1.6 \times 10^{-3}$ ✓;最优参数复测 $\langle ZZ\rangle = +1$、$\langle ZI\rangle \approx \langle IZ\rangle \approx 0$、$\langle XX\rangle = -1$——基态 $(|00\rangle - |11\rangle)/\sqrt{2}$ 的指纹
    • 噪声预告卡片:shots=1000 标准差 0.0125 → shots=10000 降到 0.0045($1/\sqrt{N}$ 标度:$\sqrt{10}$ 倍样本换 $\sqrt{10}$ 分之一误差);带噪优化可能"低于"精确值(估计量不受变分原理约束)——下节课深挖
  • 标注:演示节点 1(对角化参照与期望值测量)与演示节点 2(HEA 端到端 VQE 收敛)
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