第 12 课 · Grover 搜索——几何、最优迭代与下界 · 模块二:算法主线

成功概率的精确公式

  • 命题框(Theorem 5):从 $|s\rangle$ 出发迭代 $T$ 次后测得 $x_0$ 的概率精确等于 $P_T = \sin^2((2T+1)\theta)$,$\theta = \arcsin(1/\sqrt{N})$
  • 推导步骤(逐行,和角公式展开):
    1. 记 $|\psi(\alpha)\rangle = \sin\alpha\cdot|x_0\rangle + \cos\alpha\cdot|x_0^\perp\rangle$;由第 6 页分解式,初态 $|s\rangle = |\psi(\theta)\rangle$
    2. $G = -R(-2\theta)$ 作用于坐标 $(\sin\alpha, \cos\alpha)^T$:第一分量 $= -\cos 2\theta\cdot\sin\alpha - \sin 2\theta\cdot\cos\alpha = -\sin(\alpha+2\theta)$
    3. 第二分量 $= \sin 2\theta\cdot\sin\alpha - \cos 2\theta\cdot\cos\alpha = -\cos(\alpha+2\theta)$
    4. 故 $G|\psi(\alpha)\rangle = -|\psi(\alpha+2\theta)\rangle$:每迭代推进 $2\theta$,全局相位 $-1$ 测量不可观测
    5. 迭代 $T$ 次:$G^T|s\rangle = (-1)^T\cdot[\sin((2T+1)\theta)\cdot|x_0\rangle + \cos((2T+1)\theta)\cdot|x_0^\perp\rangle]$ → 目标振幅 $= \sin((2T+1)\theta)$
  • 小角度演算行:$(2T+1)\theta \ll 1$ 时 $\sin((2T+1)\theta) \approx (2T+1)/\sqrt{N}$——最初若干次迭代振幅线性增长,每次约 $+2/\sqrt{N}$;代入 $N = 10^6$:每次 $+0.002$
  • 结果框:$P_T = \sin^2((2T+1)\theta)$——精确等式,无近似
类型definition-derivation + 原生折线图