We study the limitations and fast-forwarding of quantum algorithms for solving linear ordinary differential equation (ODE) systems with particular focus on non-quantum dynamics, where the coefficient matrix in the ODE is not anti-Hermitian or the ODE is inhomogeneous. On the one hand, for generic homogeneous linear ODEs, by proving worst-case lower bounds, we show that quantum algorithms suffer from computational overheads due to two types of ``non-quantumness'': real part gap and non-normality of the coefficient matrix. We then show that ODEs in the absence of both types of ``non-quantumness'' are equivalent to quantum dynamics, and reach the conclusion that quantum algorithms for quantum dynamics work best. We generalize our results to the inhomogeneous case and find that existing generic quantum ODE solvers cannot be substantially improved. To obtain these lower bounds, we propose a general framework for proving lower bounds on quantum algorithms that are amplifiers, meaning that they amplify the difference between a pair of input quantum states. On the other hand, we show how to fast-forward quantum algorithms for solving special classes of ODEs which leads to improved efficiency. More specifically, we obtain quadratic to exponential improvements in terms of the evolution time $T$ and the spectral norm of the coefficient matrix for the following classes of ODEs: inhomogeneous ODEs with a negative definite coefficient matrix, inhomogeneous ODEs with a coefficient matrix having an eigenbasis that can be efficiently prepared on a quantum computer and eigenvalues that can be efficiently computed classically, and the spatially discretized inhomogeneous heat equation and advection-diffusion equation. We give fast-forwarding algorithms that are conceptually different from existing ones in the sense that they neither require time discretization nor solving high-dimensional linear systems.


翻译:我们研究了用于解决线性普通差异方程(ODE)系统的量子算法的局限性和快速推进,特别侧重于非量级动态,即ODE的系数矩阵不是反人类的,或者ODE是不对等的。一方面,对于通用的同质线性代码,我们通过证明最差的下限,表明量级算法由于两种类型的“非量级”的计算间接费用而受到影响:系数矩阵的真正部分离差和不正常。然后我们表明,在没有两种类型“非量级”动态的情况下,ODE的系数矩阵与量级动态并不等同,并且得出了量级指数的系数矩阵最佳效果。我们把我们的结果概括到不相近的不相近的病例中,发现现有的量级指数解解解解解的解算方法不能带来大幅度的改善。为了获得这些更低的界限,我们建议一个总体框架,用以证明在量级值的指数值计算中,即放大,意味着它们能扩大一对等量级的数值之间的差。在另一个水平级的进值上,我们用更精确的变数级的变数级的变数级的变数,我们用一个数字的变数级的变数级的算,我们很快的变数级的变数级的变数级变到另一个的变数级的变数级的变数级的变数级值,在另一个的变数级值在另一个的变数级的变数级的变数级,我们的变的变的变的变的变的变的变的变数式的变的变的变数级数据。

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