第 9 课 · 量子傅里叶变换 · 模块二:算法主线

正确用法:干涉引擎

  • 命题框(相位梯度恒等式,教材练习 5 第 3 题):$\mathrm{QFT}_N[(1/\sqrt{N})\cdot\sum_j e^{-2\pi i\cdot js/N}|j\rangle] = |s\rangle$——相位梯度被干涉收拢成单个基矢
  • 推导步骤:
    1. 代入定义并交换求和:输出中 $|k\rangle$ 的振幅 $= (1/N)\cdot\sum_j e^{2\pi i\cdot j(k-s)/N}$
    2. $k = s$:每项 $= 1$,和 $= N$ → 振幅 $= 1$
    3. $k \ne s$:公比 $e^{2\pi i(k-s)/N} \ne 1$ 的等比级数 → 和 $= 0$(与第 4 页酉性证明同一技巧)
  • 数值演算($N = 4$,$s = 1$):输入 $1/2(|0\rangle - i|1\rangle - |2\rangle + i|3\rangle)$ → $\mathrm{QFT}_4$ → 四个振幅 $(1, 0, 0, 0)$ → 输出 $|1\rangle = |01\rangle$,一次测量确定读出
  • 回踢方向卡:相位回踢(受控演化)产生的是 $e^{+2\pi i\cdot js/N}$ 型共轭梯度——第 11 页的 $\mathrm{QFT}_4|01\rangle = 1/2(|00\rangle + i|01\rangle - |10\rangle - i|11\rangle)$ 正是它 → 因此相位估计末端用逆 QFT:$\mathrm{QFT}_4^{-1}[\text{该态}] = |01\rangle$
  • 性质行:QFT 作用在计算基矢上时测量分布不变($|j\rangle$ → 各 $|k\rangle$ 等概率 $1/N$ 的均匀叠加)——一切作用都通过改变相对相位实现
  • 结果框:先把相位回踢到相对相位,再用(逆)QFT 让不同相位干涉出可读模式——第 10 课 QPE = 受控幂 + 逆 QFT 的模式原型
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