形式陈述
考虑复数域上的线性方程组 公理库 线性方程组 System of linear equations 可写为矩阵方程 Ax=b 的有限个一次方程系统。 ,设 A = A † 是可逆Hermitian矩阵,已缩放使
spec ( A ) ⊆ [ − 1 , − 1 / κ ] ∪ [ 1 / κ , 1 ] , κ ≥ 1. 给出 | b ⟩ 的制备电路 公理库 量子振幅编码与状态制备 Amplitude encoding · Quantum state preparation 用前缀平方质量逐层制备振幅编码态,处理零质量和复相位,并把经典列表读取、相干访问、门合成及逆制备的成本分别列清。 及其逆,以及实现受控 e i A t 的Hamiltonian模拟接口 公理库 量子 Hamiltonian 模拟问题 Hamiltonian simulation 把Hamiltonian模拟定义为带访问接口和误差标准的量子电路任务,用X加Z的完整门计数展示模拟时间、矩阵范数和门合成精度如何共同进入成本。 。HHL的目标是输出接近
| x ⟩ = A − 1 | b ⟩ ‖ A − 1 | b ⟩ ‖ 的量子态,例如要求输出密度算子与 | x ⟩ ⟨ x | 的迹距离 公理库 迹距离 Trace distance · Quantum trace distance 迹距离是两个密度算子之差的迹范数的一半,恰好刻画单份量子态在最优测量下的可区分程度。 至多 0 < ε < 1 。[1]
它不直接输出经典向量 A − 1 b 的全部坐标,也不自动给出其范数。维数 N 、稀疏访问成本、条件尺度 κ 、制备成本和目标精度共同决定复杂度。
算法先用相位估计 公理库 量子相位估计 Quantum phase estimation · QPE 用受控酉幂将特征相位写入控制寄存器,再以逆 Fourier 变换读出,推导精确情形、有限概率分布与实际查询成本。 相干记录特征值,再按倒数控制辅助旋转,最后反计算相位寄存器并后选择。特征值可能为负,旋转的成功振幅必须保留 1 / λ 的符号;把它改成 1 / | λ | 会求解另一个问题。
直觉
在 A 的特征向量坐标中,解线性方程只是把每个分量除以对应特征值。量子算法想相干地做这件事,却不能让一个酉门随意放大某些振幅。
办法是先把所有倒数乘一个足够小的 C ,让它们都落在 [ − 1 , 1 ] ,再把这个数当作一个辅助成功分支的振幅。成功时各特征方向的相对比例正是倒数,代价则是成功概率可能很小,以及小特征值要求更精细的相位估计。
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例子与边界
理想精确谱记录下的五步
写
A = ∑ j λ j | u j ⟩ ⟨ u j | , | b ⟩ = ∑ j β j | u j ⟩ . 为先看清逻辑,暂设相位估计能精确写下 λ j 。选择 0 < C ≤ 1 / κ :
制备 ∑ j β j | u j ⟩
相干记录特征值,得到 ∑ j β j | u j ⟩ | λ j ⟩
依 λ j 将新辅助0旋转为 1 − C 2 / λ j 2 | 0 ⟩ + ( C / λ j ) | 1 ⟩
反计算谱寄存器,使其返回0
测最后辅助,仅保留结果1
未归一化成功向量为 C A − 1 | b ⟩ ,所以
(1) p succ = C 2 ∑ j | β j | 2 λ j 2 = C 2 ‖ A − 1 | b ⟩ ‖ 2 . 由于 1 ≤ ‖ A − 1 | b ⟩ ‖ ≤ κ ,取 C = Θ ( 1 / κ ) 后,成功概率最坏为 Ω ( 1 / κ 2 ) ,并不是对所有输入相同。
反计算不能省掉。若保留可区分的 | λ j ⟩ 并丢弃它,不同谱分量的相干可能丢失,留下解态各谱方向的混合而不是所需纯态。
两维完整例子
取 A = diag ( 1 , 1 / 2 ) 、| b ⟩ = | + ⟩ ,精确例子可选最大 C = 1 / 2 。取相位估计的基础酉 e i π A ,两个相位为 1 / 2 , 1 / 4 ,可用两位相位寄存器精确表示为10、01。
倒数旋转的成功振幅分别为 1 / 2 , 1 。反计算后的完整数据—标志态为
1 2 [ | 0 ⟩ ( 3 2 | 0 ⟩ + 1 2 | 1 ⟩ ) + | 1 ⟩ | 1 ⟩ ] . 成功概率为
p succ = 1 2 ( 1 4 + 1 ) = 5 8 , 成功态为 ( | 0 ⟩ + 2 | 1 ⟩ ) / 5 。其 Z 期望为 1 / 5 − 4 / 5 = − 3 / 5 ,这是可以通过重复制备和测量读出的一个标量,而不是完整经典解向量。
若把矩阵第二个特征值换成 − 1 / 2 ,正确解态变为 ( | 0 ⟩ − 2 | 1 ⟩ ) / 5 。计算基概率没变,但相干相位变了;只验证成功概率不能检查倒数符号是否正确。
推论与应用
有限相位精度怎样经过倒数放大
真实相位估计给 λ ~ ,不是无限精度标签。对满足 | λ ~ − λ | ≤ Δ 、0 < Δ ≤ 1 / ( 4 κ ) 的分支,
(2) | 1 / λ ~ − 1 / λ | | 1 / λ | = | λ ~ − λ | | λ ~ | ≤ 2 κ Δ . 这给出了 Δ = O ( ε / κ ) 的尺度。只说“相位误差小”不够,误差必须与最小特征值比较。
还要先保证单次估计的成功率超过一半,才可用中位数压低尾部。取基础酉 e i A τ 、τ = π / 2 ,真实带符号相位为 θ = λ / 4 ∈ [ − 1 / 4 , 1 / 4 ] 。选不小于 16 / Δ 的最小二次幂 K ,将 QPE 输出 y / K 解码到 [ − 1 / 2 , 1 / 2 ) ,再乘 4 得到 λ ~ 。
由相位估计的有限几何级数分布,若输出与真实相位的圆周网格距离为 d y = K d T ( y / K , θ ) > 0 ,则 Pr ( y ) ≤ 1 / ( 4 d y 2 ) 。每个距离区间 [ j , j + 1 ) 至多含两个网格点,故
Pr ( d y > 4 ) ≤ 1 2 ∑ j = 4 ∞ 1 j 2 ≤ 1 2 ∫ 3 ∞ d u u 2 = 1 6 . 在其余结果上,相位误差至多 4 / K ≤ Δ / 4 。由于 Δ ≤ 1 / ( 4 κ ) ≤ 1 / 4 ,该窗口不碰带符号解码的切口,于是 | λ ~ − λ | ≤ 16 / K ≤ Δ 。这给至少 5 / 6 的单次保证;只使用最近网格点的 4 / π 2 下界则尚不足以支持中位数放大。
在同一个特征向量上,相干执行奇数 r 次 QPE,各结果寄存器的计算基分布等同于独立重复。可逆地算出这些带符号估计的中位数,再按它旋转,最后将中位数计算和全部 QPE 逆转。用保守的单次成功率 3 / 4 和Hoeffding 界 公理库 Hoeffding 不等式 Hoeffding's inequality 独立有界随机变量和偏离期望的概率以平方偏差的指数速度衰减。 ,坏中位数质量至多 e − r / 8 ;取满足 r ≥ 8 ln ( 1 / ζ ) 的最小正奇数 就压到给定 0 < ζ < 1 。不能真的测出特征值再把数据按经典标签混合。
为避免边界旋转过于敏感,在这份误差分析中取 C = 1 / ( 2 κ ) ,而不是上面精确小例子的最大 C 。对 | λ ~ | < 1 / ( 2 κ ) 的异常估计,可把成功振幅设0;其余分支用有界的 C / λ ~ 。好估计满足 | C / λ ~ | ≤ 2 / 3 ,旋转的两个振幅都是平滑函数。
记理想成功概率为 q 。式 (2) 及该平滑性使好分支的联合向量误差为 O ( κ Δ q ) ;坏分支的范数误差至多 2 ζ 。酉反计算不增大这些误差。后选择再归一化,因 q ≥ 1 / ( 2 κ ) ,条件输出误差为
O ( κ Δ + κ ζ ) . 所以选 Δ 为足够小常数倍 ε / κ ,ζ 为足够小常数倍 ε 2 / κ 2 ,即可得到目标精度,同时实际成功概率仍为 Ω ( 1 / κ 2 ) 。例如可从 Δ = ε / ( 100 κ ) 、ζ = ε 2 / ( 10 4 κ 2 ) 开始,再为门实现误差留余量。
上述带符号解码保留负特征值,而非把它误读为接近 1 的正相位。一次 QPE 的总演化时间为 O ( 1 / Δ ) ;中位数版本还乘以 O ( 1 + log ( 1 / ζ ) ) ,逆计算和各次模拟精度也须计入。
为什么条件数又出现在运行时间里
没有放大时,最坏需要 O ( κ 2 ) 次独立制备才能接受。若提供整个制备—相位估计—旋转子程序及其逆,可用振幅放大 公理库 振幅放大 Amplitude amplification · Quantum amplitude amplification 用状态制备及其逆与两次选择性反射,将任意过程的成功振幅按二维旋转规律放大。 把获得一个输出的调用次数降到 O ( κ ) ,允许常数成功概率或相应高置信重试。
因此基本机制是:一次谱处理需总演化时间约 κ / ε ,放大再带来 κ ;另有每次制备 | b ⟩ 和可逆算术的成本。若记一次完整谱处理及其逆为 C PE ,制备成本为 C b ,倒数旋转算术成本为 C rot ,则得到一份解态的成本可记为
O ( κ ( C b + C PE + C rot ) ) , 其中 C PE 必须展开为各受控演化的查询/门数,不能只写“相位估计一次”。对整个近似子程序做放大时,放大保留它自身的归一化成功态;仍须在最初的子程序误差预算中保证该态接近目标。
原始HHL在高效稀疏访问和高效 | b ⟩ 制备的前提下,常把运行时间概括为 O ~ ( s 2 κ 2 log N / ε ) 。[1, Run-time and error analysis] 这里沿原文简写,略去所用模拟器的次多项式精度因子及对数开销;它不是任意输入列表模型中的无条件上界,也不是后续改进算法的最优复杂度。
若 | b ⟩ 制备向量误差为 η b ,最坏的归一化解态误差可达 O ( κ η b ) ;制备精度也须随条件数调整。经典输入处理不是在量子步骤开始后就可以忘记的成本。
读出任务决定最后能否省资源
对上例直接测 Z ,或使用Hadamard测试 公理库 Hadamard 测试 Hadamard test 逐振幅推导受控酉期望值的实部和虚部读出,固定S逆门的相位约定,并给出样本数、输入制备和黑盒控制访问的完整成本。 估计更一般酉期望,每个样本都要重新得到一份解态。用上述 Hoeffding 界对独立样本把有界期望估到加法误差 η 、失败概率 δ ,通常还要 O ( η − 2 log ( 2 / δ ) ) 份输出。
若要求打印 N 个经典坐标,单是输出长度就不再是 polylog N 。此外,归一化解态不保留原向量整体尺度,坐标的相位和范数也需额外任务恢复。因此HHL的自然用途是某些态制备或可观测量问题,不能只把式子 A x = b 相同就与完整经典线性求解直接比较。
参考资料