基于量子计数查询与无意识态制备的谱隙研究

对于N×N厄米特矩阵(其特征值满足λ₁ ≥ λ₂ ≥ ... ≥ λ_N)而言,近似计算第k个谱隙Δₖ=|λₖ−λₖ₊₁|及其对应中点μₖ=(λₖ+λₖ₊₁)/2是特征值问题的重要特例,在科学与工程领域具有广泛应用。该研究团队提出一种量子算法,仅需使用对数级量子比特即可将这些值逼近至加性误差εΔₖ。值得注意的是,在QRAM模型中,其总复杂度(查询次数与门操作)上界为O(N²/ε²Δₖ²·polylog(N,1/Δₖ,1/ε,1/δ)),其中ε,δ∈(0,1)分别表示精度与成功概率。对于大谱隙Δₖ,该算法相较经典算法最优复杂度O(N^ω·polylog(N,1/Δₖ,1/ε))(其中ω≲2.371为矩阵乘法指数)具有加速优势。算法分析中的关键技术步骤是制备合适的随机初始态,该步骤最终使研究人员能在保持N二次方复杂度的前提下,高效计数低于阈值的特征值数量。在黑箱访问模型中,该工作还报告了判定二元矩阵(虽非对称)谱隙存在性的Ω(N²)查询下界。

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