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·思想:矩阵值 Fourier 谱与采样盲区

  • 主信息:$\sigma$ 块 $= \sigma(g)\Pi_H^\sigma$——信息都在,但封装在矩阵里;弱采样只读秩 → 共轭盲区
  • 命题框:$F_G|x\rangle = \sum_\sigma \sqrt{d_\sigma/|G|} \sum_{i,j} \sigma(x)_{ij}|\sigma, i, j\rangle$;$\Pi_H^\sigma = (1/|H|) \sum_{h \in H}\sigma(h)$,满足 $(\Pi)^2 = \Pi$、$\Pi^\dagger = \Pi$、$\mathrm{tr}\,\Pi = \mathrm{rank}\,\Pi$(Hermitian 投影)
  • 推导步骤:
    1. 谱展开:$F_G|gH\rangle = \sum_\sigma \sqrt{d_\sigma|H|/|G|} \sum_{i,j}(\sigma(g)\Pi_H^\sigma)_{ij}|\sigma, i, j\rangle$——用 $\sigma(gh) = \sigma(g)\sigma(h)$ 提出 $\sigma(g)$,再代 $\sum_h \sigma(h) = |H| \cdot \Pi_H^\sigma$
    2. 弱采样概率:$p(\sigma) = (d_\sigma|H|/|G|) \sum_{i,j}|(\sigma(g)\Pi_H^\sigma)_{ij}|^2 = (d_\sigma|H|/|G|) \cdot \mathrm{tr}(\Pi^\dagger\sigma(g)^\dagger\sigma(g)\Pi) = (d_\sigma|H|/|G|) \cdot \mathrm{rank}\,\Pi_H^\sigma$
    3. 一行证明思路:Frobenius 恒等式 $\sum_{ij}|A_{ij}|^2 = \mathrm{tr}(A^\dagger A)$ 加酉性 $\sigma(g)^\dagger\sigma(g) = I$,把随机陪集代表元 $g$ 整个吸收——分布与 $g$ 无关
  • 演算($S_3$,$H = \{e, (12)\}$,$|H|/|G| = 1/3$):
    1. 维数平方和:$1^2 + 1^2 + 2^2 = 6 = |G|$ ✓
    2. 三个投影($|H| = 2$ → $\Pi = (1/2)(I + \sigma((12)))$):triv:$(1/2)(1+1) = 1$,rank 1;sgn:$(1/2)(1-1) = 0$,rank 0;std:$(1/2)(I + \mathrm{diag}(1,-1)) = \mathrm{diag}(1,0)$,rank 1
    3. 代入公式:$p(\mathrm{triv}) = (1/3) \times 1 = 1/3$;$p(\mathrm{sgn}) = (1/3) \times 0 = 0$;$p(\mathrm{std}) = (2/3) \times 1 = 2/3$;总和 $1/3 + 0 + 2/3 = 1$ ✓
    4. 共轭盲区:换 $H' = \{e, (23)\}$——三个对换互为共轭、特征标在共轭类上取常值 → 三个秩不变 → 分布一字不差;区分三个子群的信息只在 $\Pi^{\mathrm{std}}$ 的投影方向(三条不同反射轴)
  • 结果框:弱采样只看维数、丢方向;强采样读方向但依赖表示基;$H$ 正规时 Schur 引理迫使 $\Pi_H^\sigma$ 与所有 $\sigma(g)$ 对易且 $\in \{0, I\}$,退回 annihilator 结构可高效求解(Hallgren–Russell–Ta-Shma)
类型definition-derivation + worked-example(本课核心推导与演算页,占满)