第 28 课 · 前沿研讨——非交换 HSP、碰撞问题、Welded Tree 与量子密码分析 · 模块四:应用与前沿专题

论文一·问题:非交换 HSP 与陪集态

  • 主信息:承诺与 Abelian 情形逐字相同;量子部分的全部原料是混合态 $\rho_H$
  • 命题框:$f(x) = f(y) \iff xH = yH$($H \le G$ 不必正规);任务 = 输出 $H$ 的生成元
  • 推导步骤:
    1. 均匀叠加查 oracle:$(1/\sqrt{|G|}) \sum_{x \in G}|x\rangle|0\rangle$ → $(1/\sqrt{|G|}) \sum_{x \in G}|x\rangle|f(x)\rangle$
    2. 测第二寄存器得 $f(g)$:由承诺,取该值的 $x$ 恰构成左陪集 $gH$ → 第一寄存器坍缩为陪集态 $|gH\rangle = (1/\sqrt{|H|}) \sum_{h \in H}|gh\rangle$
    3. $g$ 均匀随机且测量值不记录 → 单次制备实得混合态 $\rho_H = (1/[G:H]) \sum_{gH}|gH\rangle\langle gH|$;共 $[G:H] = |G|/|H|$ 个两两正交的陪集态,等概率出现
    4. 演算:$G = S_3$、$H = \{e, (12)\}$:$|G| = 6$、$|H| = 2$、$[G:H] = 3$ → $\rho_H$ 是 3 个正交秩 1 投影的等权平均,$\mathrm{tr}\,\rho_H = 3 \times (1/3) = 1$ ✓
    5. 记账行(Ettinger–Høyer–Knill):任意有限群 $\mathrm{poly}(\log|G|)$ 份 $\rho_H$ 信息论上足够唯一确定 $H$,但其最优联合测量可耗指数时间;二面体隐藏反射的经典查询是 $\Theta(\sqrt{N})$
  • 结果框:一切算法 = 对 $\rho_H^{\otimes m}$ 的加工;**查询多项式 $\ne$ 时间多项式**。动机一行:二面体群 $D_N$ 经 Regev 约化连接格最短向量问题;图同构编码为 $S_n \wr Z_2$ 上的 HSP
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