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

Grover 就是振幅放大:$N=4$ 手算(纸上演示)

  • 题面框:子程序 $U = H^{\otimes n}$,好态 $|x_0\rangle$,单次成功概率 $p = |\langle x_0|U|0\rangle|^2 = 1/N$;$N = 4$、$x_0 = 1$,从 $|s\rangle = (1/2)(|0\rangle+|1\rangle+|2\rangle+|3\rangle)$ 出发完成一次迭代
  • 代入过程(逐行:符号式 → 代数值 → 结果):
    1. 初始振幅向量:$(1/2, 1/2, 1/2, 1/2)$
    2. $U_O$(保持目标、翻转其余):$(-1/2, +1/2, -1/2, -1/2)$
    3. 平均值:$\bar{a} = (1/4)\cdot(-1/2 + 1/2 - 1/2 - 1/2) = -1/4$
    4. $U_S$ 关于平均翻转 $a_x \mapsto 2\bar{a} - a_x$,逐分量代数:$x = 0$ → $-1/2 - (-1/2) = 0$;$x = 1$ → $-1/2 - 1/2 = -1$;$x = 2$、$x = 3$ 同 $x = 0$ → 0;得 $(0, -1, 0, 0) = -|1\rangle$
  • 验证行:$\theta = \arcsin(1/\sqrt{4}) = 30^\circ$,一次迭代 $(2T+1)\theta = 3\times 30^\circ = 90^\circ$ → $P_1 = \sin^2 90^\circ = 1$ ✓;多出的负号是全局相位
  • 结果框(AMBER 大字):一次迭代后态 $= -|1\rangle$,测量必得目标条目,成功率 = 1;朴素重复 $O(N) = 4$ 次 → 1 次
类型worked-example