形式陈述
对信号 ,固定单qubit酉
量子信号处理(QSP)选择实相位 ,形成电路矩阵公理库量子电路Quantum circuit用固定寄存器上的酉门、测量和经典控制表示有限量子操作序列,并明确基顺序、矩阵乘法与测后更新。
乘积按书写顺序从左到右排列,实际作用时仍是最右因子先执行。一次序列使用 次信号门和 次已选相位门。
完整可实现性定理。 记 为系数逐项共轭的多项式。存在相位序列使
对所有 成立,当且仅当:[1, Theorem 3]
- ,、
- 具有 的奇偶性, 具有 的奇偶性
- 对所有 ,
零多项式允许,视为同时具有两种奇偶性; 时要求 、 为单位模常数。只写 不是完整条件;补多项式 、次数和奇偶性都不能省略。
直觉
信号门带来未知参数 ,相位门提供我们可调的旋钮。交替相乘让不同路径的振幅相加或抵消,形成一个多项式响应。
但每个 上的最终矩阵仍必须酉。目标响应占用了多少振幅,其余矩阵元就必须精确补齐多少;这正是第三条恒等式。QSP是在酉性允许的范围内设计函数,不是任意多项式都能直接塞进一个矩阵元。
曲线表示酉矩阵元的实响应,不是测量概率;负值表示振幅符号,不能解释成负概率。
例子与边界
一阶与三阶零相位序列
、 时,,所以 ,直接满足 。
若 且全部相位为0,则 ,
这与Chebyshev多项式公理库Chebyshev 多项式与节点Chebyshev polynomials and nodes · Chebyshev nodes以余弦表示和端点聚集节点控制区间上一致逼近、插值条件性与高次振荡。的 一致。也可直接验证
例如 时,三次信号响应为 ,而不是 。重复同一个信号门自然生成的是角度三倍,不是逐点振幅相乘后只保留 。
选择相位,可以真正得到x立方
取
逐矩阵相乘,或用下一节递推,可得
因为 、,
它满足三阶所需的全部条件。这个例子显示相位不是装饰:同样调用三次 ,可以得到 或 两种不同响应。
有界还不够:完整矩阵元与实部不同
试图让完整 。它奇、次数1且在区间内有界,但在 处,第三条要求 ,实际只有 ,因此不可能成为式 (2) 的完整左上矩阵元。
若只要求 ,却可以实现:取一阶相位 ,便有 。实部正确,剩余虚部保证端点仍有单位模。反之,目标实响应 在 超过1,连实部也不可能来自一个酉矩阵元。
因此“QSP能实现任意有界奇偶多项式”通常指允许取实部或增加辅助读出后的版本,不能把它无说明地替换成式 (2) 的完整矩阵元断言。
推论与应用
定理的两边怎样证明
必要性可逐次相乘。若前一段对应 ,右接 后,
次数每步最多增加1,奇偶性翻转;矩阵乘积保持酉性公理库正交矩阵与酉矩阵Orthogonal matrix · Unitary matrix · 酉矩阵在实或复内积空间中保持内积的方阵,其逆分别等于转置或共轭转置。,遂给出补齐恒等式。
充分性反过来剥掉最后一层。若 的实际最高次数为 ,其最高系数为 , 的最高系数为 ,恒等式的最高次项抵消要求 。选择
右乘 后的新多项式为
最高项恰好抵消,次数降到 ,其余条件由酉性和奇偶性保留。递归到常数相位即可。若实际次数低于预定 ,差是偶数,可插入恒等的两信号片段
补齐长度。这给出已知合法 时的相位合成机制,而不是只引用一个存在结论。
实有界多项式的读出版本
对实多项式 ,若 、奇偶性与 相同,且 ,则存在完整合法多项式对使 。[1, Theorem 5]
其补齐机制是把非负偶多项式 写成
其中 有相应次数和奇偶性。取 就满足完整恒等式。分解的存在与构造见 [1, Lemma 6];不能直接设 ,因为那一般不是所需次数的多项式。
若要把实部变成一个可调用的块,可增加一个辅助位,相干选择 与 ,再投影该辅助的 。二者的左上多项式互为共轭,平均给 。两分支有相同信号门骨架,只需控制相位符号;新增的辅助投影及成功概率仍是接口的一部分。
次数、数值合成与谱应用
次数 对应 次信号访问。已知完整合法 时,上述降阶过程用 次精确算术操作;从一个实目标开始还要做补多项式构造,实际数值精度与稳定性需另计,不能把任意实相位当成已免费算出。
若每次信号门误差至多 、第 个相位角误差至多 ,用逐门替换的算子误差预算公理库固定门集近似与测量误差预算Finite gate approximation · Quantum gate synthesis error budget从单qubit旋转的算子误差推到任意参考系统上的测量总变差,逐门分配合成预算,并处理受控门中的相对相位。,总算子误差至多 。这是电路实现误差;目标函数的多项式逼近误差还要单独加入。
Qubitization公理库Qubitization 与二维信号子空间Qubitization从Hermitian信号块构造两反射量子行走,逐本征值推导二维旋转、端点退化和Chebyshev响应,并说明一般块编码所需的额外受控访问。把矩阵特征值放到相同类型的二维信号空间中,QSP的同一相位序列便能对所有特征值同时工作。推广到左右奇异向量不同的矩阵时,还需交替原块编码与其逆,形成量子奇异值变换公理库量子奇异值变换Quantum singular value transformation · QSVT在投影酉接口上交替原门与逆门,实现有界奇偶多项式的奇异值响应,明确左右空间、额外实部辅助、查询次数和输入误差,并用非对称矩阵区分A立方。。
参考资料