第 29 课 · Capstone 启动——任务书、技术路线、里程碑与评分标准 · Capstone

候选 A:QPE→HHL 管线(命题与全流程演算)

  • 命题框:QPE(第 10 课):$U|u\rangle = e^{2\pi i\phi/N}|u\rangle$,$N = 2^n$——$\phi$ 为整数时测计数寄存器必得 $|\phi\rangle$;否则最接近整数的概率 $\ge 4/\pi^2 \approx 0.405$
  • 管线四步(推导步骤,HHL 第 21 课):
    1. 制备 $|b\rangle$:本例 $|b\rangle = (1/\sqrt{2})(|0\rangle + |1\rangle)$,一个 H 门
    2. QPE:$U = e^{iAt}$ 与 $A$ 共享本征态,$e^{i\lambda t}$ 把特征值 $\lambda$ 编码进计数寄存器
    3. 受控旋转:由 $\sin(\theta/2) = C/\tilde{\lambda}$ 解出 $\theta(\tilde{\lambda}) = 2 \cdot \arcsin(C/\tilde{\lambda})$——把 $1/\lambda$ 转移到辅助比特幅值
    4. 逆 QPE 复位 + 后选择:成功概率 $P_1 \ge 1/\kappa^2$($\kappa = \lambda_{\max}/\lambda_{\min}$)
  • 演算($2 \times 2$ 对角实例:$A = \mathrm{diag}(1, 2)$,$b = (1, 1)^{\top}$,$m = 2$,$t = \pi/2$):
    1. 相位:$\phi_0 = \lambda_0 t/2\pi = 1/4 = 0.01_2$;$\phi_1 = \lambda_1 t/2\pi = 1/2 = 0.10_2$(换算系数 $2\pi/(t \cdot 2^n) = 1$,寄存器整数即特征值)
    2. 角度:$\theta(1) = 2 \cdot \arcsin(1) = \pi$;$\theta(2) = 2 \cdot \arcsin(1/2) = \pi/3$
    3. 成功率:$P_1 = 1/2 \cdot 1^2 + 1/2 \cdot (1/2)^2 = 1/2 + 1/8 = 5/8 \ge 1/\kappa^2 = 1/4$($\kappa = 2$)✓
    4. 输出:$|x\rangle = (2|0\rangle + |1\rangle)/\sqrt{5}$ → $P(0) = 4/5$、$P(1) = 1/5$,振幅平方比 $4:1 = 1^2:(1/2)^2 = x_0^2:x_1^2$ ✓
  • 结果框:输出态 $\propto A^{-1}b$;复杂度 $O(\mathrm{poly}(\log N) \cdot \kappa \cdot \mathrm{poly}(1/\epsilon))$,经典高斯消元 $O(N^3)$
  • 工具锚点:CONTROL 块、circuit_def 子程序、get_matrix(little-endian 酉矩阵,约 12 比特以内对拍)
类型definition-derivation