第 15 课 · Shor 离散对数与 Trotter 哈密顿模拟 · 模块三:现代算法体系

测量分布:几何级数的完整推导(上半场核心)

  • 命题框:按第三个寄存器分组 $|\psi_1\rangle = (1/n)\cdot\sum_r (\sum_{b\in\mathbb{Z}_n} |r-xb \bmod n\rangle|b\rangle)|g^r\rangle$;基态 $|c\rangle|d\rangle|g^r\rangle$ 的振幅 $\alpha_{c,d,r} = (e^{2\pi irc/n}/n^2)\cdot\sum_{b\in\mathbb{Z}_n} (e^{2\pi i(d-xc)/n})^b$
  • 推导步骤(逐行):
    1. QFT 展开:对每个 $|a\rangle|b\rangle$ 代入 $a = r-xb$,相位 $= 2\pi i[(r-xb)c+bd]/n$;与 $b$ 无关的因子 $e^{2\pi irc/n}$ 提出求和号
    2. 内层是公比 $\omega^{d-xc}$ 的几何级数($\omega = e^{2\pi i/n}$,共 $n$ 项):$1 + \omega^{d-xc} + (\omega^{d-xc})^2 + \cdots + (\omega^{d-xc})^{n-1}$
    3. 若 $d \equiv xc \pmod{n}$:公比 = 1,级数 $= n$
    4. 若 $d \not\equiv xc$:$(\omega^{d-xc})^n = e^{2\pi i(d-xc)} = 1 \ne$ 公比 → 级数 $= (1-1)/(\omega^{d-xc}-1) = 0$——$n$ 个旋转矢量首尾相接,相消干涉
    5. 概率:非零振幅的模 $= n/n^2 = 1/n$;$r$ 只出现在相位因子中 → 对 $r$ 求和模长不变,$P(c,d) = n\cdot(1/n)^2 = 1/n$
  • 结果框:振幅非零 $\iff xc \equiv d \pmod{n}$;$(c,d)$ 均匀分布于 $\{(c, xc \bmod n) : c \in \mathbb{Z}_n\}$——恰 $n$ 对,概率和 $= n\times(1/n) = 1$ ✓;每次测量白送一个线性方程
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