第 8 课 · 第一个量子算法——Deutsch-Jozsa 与 Bernstein-Vazirani · 模块二:算法主线

B-V 算法:同一条电路,答案自己走出来

  • 命题框(正交和等式):$\sum_x (-1)^{w\cdot x} = N$(若 $w=0$);$= 0$(若 $w\ne 0$),$N = 2^n$
  • 推导步骤:
    1. 六步电路态链:$|0\ldots 0\rangle|0\rangle$ → 辅助位 X、H 制备 $|-\rangle$ → $H^{\otimes n}$ 均匀叠加 → $U_{f_s}$ 唯一一次查询(相位 $(-1)^{s\cdot x}$)→ $H^{\otimes n}$ → 测量
    2. 双重和归并:$H^{\otimes n}[(1/\sqrt{N})\cdot\sum_x (-1)^{s\cdot x}|x\rangle] = (1/N)\cdot\sum_z[\sum_x (-1)^{s\cdot x\oplus x\cdot z}]|z\rangle$,指数合并 $s\cdot x\oplus x\cdot z \equiv x\cdot(s\oplus z) \pmod 2$
    3. 等式证明:$w=0$ → $N$ 项全 $+1$,和为 $N$;$w\ne 0$ → 取 $w$ 中任一为 1 的位 $j$,配对 $x$ ↔ $x\oplus e$(该位翻转),配对两项指数奇偶相反、精确相消 → 和为 0
    4. 代入 $w = s\oplus z$:内层和 $= N$ 当且仅当 $z = s$,否则 $0$ → 终态 $= |s\rangle$,$P$(测得 $s$) $= 1$
    5. 演算 $n=3$、$s=101$:8 项相位 $+1,-1,+1,-1,-1,+1,-1,+1$($s\cdot x = x_1\oplus x_3$);$(-1)^{x_1\oplus x_3} = (-1)^{x_1}\cdot(-1)^{x_3}$ → 态因子化为 $|-\rangle|+\rangle|-\rangle$;逐位 H:$H|-\rangle=|1\rangle$、$H|+\rangle=|0\rangle$ → $|101\rangle$ ✓
  • 结果框:查询 $n$→$1$、门操作 $O(n)$→$O(n)$、测量 $n$→$1$——精确量子加速(概率 1、无误差);D-J 电路原封不动,读出从"是否全 0"升级为"整串 $s$"
类型definition-derivation(含 $n=3$ 演算,重点页)