Чи є пояснення мирян, чому алгоритм Гровера працює?


27

Цей поштовий журнал від Скотта Аронсона є дуже корисним та простим поясненням алгоритму Шор .

Мені цікаво, чи існує таке пояснення для другого найвідомішого квантового алгоритму: алгоритму Гровера для пошуку не упорядкованої бази даних розміром за час .O ( √O(n)O(n)

Зокрема, я хотів би побачити якусь зрозумілу інтуїцію для початково дивного результату часу бігу!

Відповіді:


20

Існує гарне пояснення Крейг Gidney тут (він також має інше великий вміст, в тому числі схеми симулятора, на своєму блозі ).

По суті, алгоритм Гровера застосовується, коли у вас є функція, яка повертається Trueдля одного з можливих входів, а також Falseдля всіх інших. Завдання алгоритму - знайти той, який повертається True.

Для цього ми виражаємо входи як бітові рядки та кодуємо їх за допомогою та станів рядків кубітів. Отже, бітова рядок буде кодована, наприклад, у чотирьох кубітному стані .|0⟩|1⟩0011|0011⟩

Нам також потрібно вміти реалізовувати функцію за допомогою квантових воріт. Зокрема, нам потрібно знайти послідовність воріт, яка реалізує єдину таку, щоU

U|a⟩=−|a⟩,U|b⟩=|b⟩

де - бітова рядок, для якої повертається функція, а - будь-яка, для якої вона повертається .aTruebFalse

Якщо ми почнемо з суперпозицією всіх можливих бітових рядків, що досить легко зробити, просто Hadamarding все, всі входи починаються з однієї і тієї ж амплітудою (де є довжина бітових рядків, які ми шукаємо, і, отже, кількість кубітів, які ми використовуємо). Але якщо ми застосуємо оракул , амплітуда стану, який ми шукаємо, зміниться на .12nnU−12n

Це не будь-яка легко помітна різниця, тому нам потрібно її посилити. Для цього ми використовуємо Гровер Diffusion оператора , . Ефект цього оператора полягає в тому, щоб подивитися на те, чим кожна амплітуда відрізняється від середньої амплітуди, а потім обернути цю різницю. Отже, якщо певна амплітуда була на певну суму більше середньої амплітуди, вона стане на ту саму суму меншою, ніж середня, і навпаки.D

Зокрема, якщо у вас суперпозиція бітових рядків , дифузійний оператор має ефектbj

D:∑jαj|bj⟩↦∑j(2μ−αj)|bj⟩

де - середня амплітуда. Тож будь-яка амплітуда перетворюється на μ - δ . Щоб дізнатися, чому він має такий ефект, і як його реалізувати, дивіться у цих конспектах лекцій .μ=∑jαjμ+δμ−δ

Більша частина амплітуд буде мініатюрною більшою, ніж середня (завдяки ефекту одинарного −12n ), тому вони стануть крихітним трохи менше середнього за допомогою цієї операції. Не велика зміна.

На стан, який ми шукаємо, буде впливати сильніше. Його амплітуда набагато менша від середньої, і тому вона стане набагато більшою середньою після застосування оператора дифузії. Кінцевий ефект дифузійного оператора полягає в тому, щоб спричинити перешкодний вплив на стани, котрий амплітуда 12n з усіх неправильних відповідей і додає їх до правильної. Повторивши цей процес, ми можемо швидко дійти до того, що наше рішення виділяється з натовпу настільки, що ми можемо його ідентифікувати.

Звичайно, все це свідчить про те, що всю роботу виконує дифузійний оператор. Пошук - це лише програма, яку ми можемо підключити до неї.

Детальні відомості про те, як реалізуються функції та оператор дифузії, див. Відповіді на інші запитання .


4

Я вважаю, що графічний підхід є досить хорошим для того, щоб дати деяку розуміння, не надто надто технічно. Нам потрібні деякі входи:

  • ми можемо створити стан з ненульовим перекриттям з «зазначеним» станом | х ⟩ : ⟨ х | г | ⟩ ≠ 0 .|ψ⟩|x⟩⟨x|ψ⟩≠0
  • ми можемо здійснити операцію U1=−(I−2|ψ⟩⟨ψ|)
  • ми можемо реалізувати операцію .U2=I−2|x⟩⟨x|

|ψ⊥⟩|x⟩{|x⟩,|ψ⊥⟩}{|x⟩,|ψ⟩}{|x⟩,|ψ⊥⟩}, і вони повертають стан у межах періоду. Більше того, обидва є унітарними, тому довжина вхідного вектора зберігається.

|ψ⊥⟩|x⟩введіть тут опис зображення

|ψ⟩|x⟩|ψ⊥⟩|ψ⟩|ψ⟩|ψ⊥⟩θвведіть тут опис зображення

U1|ψ⟩U2|ψ⊥⟩введіть тут опис зображення

U2U12θ|x⟩введіть тут опис зображення

|ψ⟩θ|x⟩x

|x⟩|ψ⟩p≪1O(1/p)p=sin⁡θ≈θθrsin⁡((2r+1)θ)≈1r≈π2θ≈π2p


Використовуючи наш веб-сайт, ви визнаєте, що прочитали та зрозуміли наші Політику щодо файлів cookie та Політику конфіденційності.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.