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

迭代公式与最优迭代次数

  • 命题框:$Q^k|\psi\rangle = \sin((2k+1)\theta)|g\rangle + \cos((2k+1)\theta)|b\rangle$
  • 推导步骤:
    1. $R(-2\theta)\cdot(\sin\alpha, \cos\alpha)^T = (\cos 2\theta\cdot\sin\alpha + \sin 2\theta\cdot\cos\alpha, -\sin 2\theta\cdot\sin\alpha + \cos 2\theta\cdot\cos\alpha)^T = (\sin(\alpha+2\theta), \cos(\alpha+2\theta))^T$(和角公式合并)
    2. 初态 $\alpha = \theta$,每迭代一次 $\alpha \mapsto \alpha+2\theta$,归纳得振荡公式(幅角 $\theta$ → $3\theta$ → $5\theta$ → …)
    3. 令幅角抵达 $\pi/2$:$k \approx (\pi/2-\theta)/(2\theta) = \pi/(4\theta) - 1/2 \approx \pi/(4\sqrt{a})$(用 $\theta = \arcsin\sqrt{a} \approx \sqrt{a}$)
  • 演算(Grover,$N = 1024 = 2^{10}$):$\theta = \arcsin(1/32) \approx 0.0312$ rad → $T \approx \pi/(4\times 0.0312) - 1/2 \approx 24.6$ → 取 25 次查询;成功率下界 $1 - 1/1024 \approx 99.9\%$
  • 结果框:代入 $a = M/N$ 得 $O(\sqrt{N/M})$;推导对任意初态线路 $A$、任意"好"判据成立
类型definition-derivation