从线性微分方程到酉矩阵:一种基于矩匹配的扩张框架及其近最优量子算法

针对动态模拟的量子加速通常需要酉时间演化,而现实物理模型中常见的大型常微分/偏微分方程系统本质上是非酉的。该研究团队提出了一种普适的矩满足膨胀方法,能将任意线性非厄米流(ẋ=Ax,其中A=-iH+K)嵌入到扩展希尔伯特空间的严格酉演化中:((l|⊗I)𝒯e^(-i∫(I_A⊗H+iF⊗K)dt)(|r)⊗I) = 𝒯e^(∫Adt)该等式成立的条件是辅助空间中的三元组(F,|r),(l|)满足紧凑矩恒等式(l|F^k|r)=1(对所有k≥0成立)。这一代数准则同时涵盖了“薛定谔化”[物理评论快报133, 230602 (2024)]和“哈密顿量线性组合(LCHS)”方案[物理评论快报131, 150603 (2023)],还揭示出由微分、积分、伪微分及差分生成元构建的全新膨胀家族。每个家族都带有连续调节参数,且在保持矩不变的相似变换下封闭,由此形成了庞大的设计空间,使得量子膨胀可根据具体应用、算法和硬件进行协同优化。作为具体例证,研究人员证明:在有限区间内,简单的有限差分膨胀即可达到近乎最优的预言复杂度;同时构建了适用于单玻色模连续变量平台的巴格曼-福克膨胀。针对麦克斯韦粘弹性波传播的数值实验验证了该方法的准确性和鲁棒性。

量科快讯