第 10 课 · 相位估计 · 模块二:算法主线

应用 I:$G$ 的本征分解

  • 命题框:$\det(\lambda I - G) = (\lambda-\cos\theta)^2 + \sin^2\theta = 0$
  • 推导步骤:
    1. 展开特征方程:$\lambda^2 - 2\lambda\cdot\cos\theta + (\cos^2\theta + \sin^2\theta) = \lambda^2 - 2\lambda\cdot\cos\theta + 1 = 0$
    2. 求根:$\lambda = \cos\theta \pm i\cdot\sin\theta = e^{\pm i\theta}$(欧拉公式收尾)
    3. $\lambda_1 = e^{i\theta}$ 代回 $(\lambda I-G)v = 0$:$i\cdot\sin\theta\cdot v_1 = \sin\theta\cdot v_2$ → $v_2 = i\cdot v_1$
    4. 归一化:$|u_1\rangle = (|g\rangle + i|b\rangle)/\sqrt{2}$;同理 $|u_2\rangle = (|g\rangle - i|b\rangle)/\sqrt{2}$
    5. 验证:$G|u_1\rangle = (\cos\theta+i\sin\theta, -\sin\theta+i\cos\theta)^{T}/\sqrt{2} = e^{i\theta}|u_1\rangle$ ✓;$\langle u_1|u_2\rangle = 1/2(1 + (-i)(-i)) = 1/2(1-1) = 0$ ✓
  • 演算($p = 1/4$ → $\theta = \pi/3$):$\lambda = e^{\pm i\pi/3} = 1/2 \pm i\cdot\sqrt{3}/2$——复平面上辐角 $\pm60^{\circ}$ 的两点
  • 结果框:$G$ 幺正 $\Rightarrow$ 本征值是一对共轭相位;本征态是好/坏态等权叠加、只差 $\pi/2$ 相对相位——正好接上第 3 页的相位估计框架
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