第 10 课 · 相位估计 · 模块二:算法主线

第二段:QFT 与 iQFT——解码器

  • 命题框:$F_N$: $|x\rangle$ ↦ $(1/\sqrt{N})\sum_{y=0}^{N-1} \omega^{xy}|y\rangle$;矩阵元 $(F_N)_{yx} = (1/\sqrt{N})\omega^{xy}$($xy$ 是整数乘法,不是比特串内积)
  • 推导步骤:
    1. 关键恒等式($k \not\equiv 0 \bmod N$):$\sum_{y=0}^{N-1} \omega^{ky} = (\omega^{kN}-1)/(\omega^k-1) = 0$——分子 $\omega^{kN} = e^{2\pi i k} = 1$ 归零,分母 $\omega^k \ne 1$
    2. 行内积:$(1/N)\sum_y \omega^{(x-x')y} = \delta_{xx'}$ → 各行正交归一 → $F_N\cdot F_N^\dagger = I$
    3. 对称性:$\omega^{xy} = \omega^{yx}$ → $F_N^T = F_N$
    4. iQFT:$F_N^\dagger = (F_N^T)^* = F_N^*$——形式完全相同,把 $\omega$ 换成 $\omega^{-1}$
  • 演算 1($N = 2$):$\omega = e^{i\pi} = -1$ → $F_2 = (1/\sqrt{2})[[1, 1], [1, -1]] = H$——QFT 退化为 Hadamard 门
  • 演算 2($N = 4$、$k = 2$):$\omega = i$ → $\sum_{y=0}^{3} i^{2y} = 1 - 1 + 1 - 1 = 0$ ✓
  • 结果框:级联终态 $(1/\sqrt{N})\sum_z \omega^{\phi z}|z\rangle$ 对照定义恰是 $F_N|\phi\rangle$ → 解码只需 $F_N^*$
类型definition-derivation