第 13 课 · 振幅放大与振幅估计——从 Grover 到通用二次加速与最优性 · 模块二:算法主线

几何:二维平面上的两面镜子(矩阵推导)

  • 命题框:$a = \langle\psi|P_g|\psi\rangle$,$\sin\theta = \sqrt{a}$,$|\psi\rangle = \sin\theta|g\rangle + \cos\theta|b\rangle$,其中 $|g\rangle = P_g|\psi\rangle/\sqrt{a}$
  • 推导步骤(在基 $\{|g\rangle,|b\rangle\}$ 下逐项乘出):
    1. $S_f$:$|g\rangle \mapsto -|g\rangle$、$|b\rangle \mapsto |b\rangle$ → 矩阵 $\mathrm{diag}(-1, +1)$(关于 $|b\rangle$ 轴的反射)
    2. $S_\psi = I-2|\psi\rangle\langle\psi|$:$S_\psi|g\rangle = (1-2a)|g\rangle - 2\sqrt{a(1-a)}|b\rangle$(代入 $\langle\psi|g\rangle = \sqrt{a}$ 逐项乘)
    3. 同理 $S_\psi|b\rangle = -2\sqrt{a(1-a)}|g\rangle + (2a-1)|b\rangle$
    4. 合成 $Q = -S_\psi S_f$(右乘 $\mathrm{diag}(-1,+1)$ 即第一列变号,再整体取负)→ $Q = \begin{bmatrix}1-2a & 2\sqrt{a(1-a)}\\ -2\sqrt{a(1-a)} & 1-2a\end{bmatrix}$
  • 演算($a = 1/4$,$\theta = \pi/6$):$1-2a = 1/2$;$2\sqrt{a(1-a)} = 2\cdot\sqrt{3/16} = \sqrt{3}/2 \approx 0.866$;验证列范数 $(1/2)^2 + (\sqrt{3}/2)^2 = 1/4 + 3/4 = 1$ ✓ → $Q = \begin{bmatrix}1/2 & \sqrt{3}/2\\ -\sqrt{3}/2 & 1/2\end{bmatrix} = R(-\pi/3)$
  • 结果框:倍角公式 $1-2a = \cos 2\theta$、$2\sqrt{a(1-a)} = \sin 2\theta$ → $Q = R(-2\theta)$:转角 $2\theta$ 的旋转;千维希尔伯特空间坍缩为一张二维平面
类型definition-derivation(本课核心推导一,占满)