第 10 课 · 相位估计 · 模块二:算法主线

非整数情形:$4/\pi^2$ 成功下界

  • 命题框(闭式):$p_y = (1/N^2)\cdot\sin^2(\pi(\phi-y)) / \sin^2(\pi(\phi-y)/N)$($y = \phi$ 处取极限值 1,随 $|\phi-y|$ 增大而衰减)
  • 下界推导步骤(记 $\delta = \phi-y$,最近整数 $|\delta| \le 1/2$):
    1. 恒等变形:$p_y = [\sin(\pi\delta)/(\pi\delta)]^2\cdot[(\pi\delta/N)/\sin(\pi\delta/N)]^2$
    2. $\sin t/t$ 在 $(0, \pi]$ 单调递减 + $|\delta| \le 1/2$ → 第一因子 $\ge \sin(\pi/2)/(\pi/2) = 2/\pi$
    3. $|\sin t| \le |t|$ → 第二因子 $\ge 1$
    4. 汇总:$p_{\mathrm{nearest}} \ge (2/\pi)^2 = 4/\pi^2 \approx 0.405$
  • 演算($\phi = 3.5$、$N = 4$):
    1. $y = 3$:$\delta = 1/2$ → $\sin^2(\pi/2) = 1$;$\sin^2(\pi/8) = (2-\sqrt{2})/4 \approx 0.1464$
    2. $p_3 = (1/16)\cdot 1/0.1464 = (2+\sqrt{2})/8 \approx 0.427$
    3. $y = 4$:$\delta = -1/2$,闭式为偶函数 → $p_4 = p_3 \approx 0.427$
    4. 验证:$0.427 \ge 4/\pi^2 \approx 0.405$ ✓
  • 结果框:测量以 $\ge 4/\pi^2$ 的概率返回最接近 $\phi$ 的整数;增加若干冗余计数比特可把成功概率任意提高到接近 1
  • 思考题条:配对证明——$\omega^{N/2} = -1$,第 $x$ 项与第 $x+N/2$ 项配对;$\phi-y$ 为奇数时相位差 $\pi$ 直接相消,偶数时先提公因子化归
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