Grover迭代算法(Grover’s Iteration)是Grover算法的核心部分,它通过不断地放大目标态的概率振幅,最终实现对目标态的高效搜索。Grover迭代包含两个主要的量子操作:Oracle 操作和Grover 扩散操作。以下是对这两个操作的详细构造和 Grover 迭代过程的解释。
首先,假设有一个大小为 N = 2 n N = 2^n N=2n 的未排序数据库,并且数据库中的项可以用 n n n 个量子比特表示。因此,数据库的所有项构成了一个大小为 N N N 的计算基(computational basis)。
初始态通常是所有可能态的均匀叠加态,它可以通过对所有量子比特应用 Hadamard 门构造:
∣ ψ 0 ⟩ = H ⊗ n ∣ 0 ⟩ ⊗ n = 1 N ∑ x = 0 N − 1 ∣ x ⟩ | \psi_0 \rangle = H^{\otimes n} |0\rangle^{\otimes n} = \frac{1}{\sqrt{N}} \sum_{x=0}^{N-1} |x\rangle ∣ψ0⟩=H⊗n∣0⟩⊗n=N1x=0∑N−1∣x⟩
这里, H ⊗ n H^{\otimes n} H⊗n 表示对每个量子比特应用 Hadamard 门。
Oracle 操作的作用是识别目标态,并通过翻转该态的相位来标记它。假设目标态为 ∣ m ⟩ |m\rangle ∣m⟩,则 Oracle 操作 O O O 的作用如下:
O ∣ x ⟩ = { ∣ x ⟩ , if x ≠ m − ∣ x ⟩ , if x = m O |x\rangle = \begin{cases} |x\rangle, & \text{if } x \neq m \\ -|x\rangle, & \text{if } x = m \end{cases} O∣x⟩={∣x⟩,−∣x⟩,if x=mif x=m
Oracle 操作实现的方式是通过一个黑箱函数来进行,函数会对目标态的相位进行翻转,而对非目标态保持不变。
Grover 扩散操作,也称为反射操作或扩散变换,是 Grover 算法的关键部分。它的作用是将状态关于均匀叠加态的反射,并且放大目标态的概率振幅。具体地,这一操作可以分解为以下步骤:
因此,扩散操作 D D D 的整体作用可以表示为:
D = H ⊗ n ( 2 ∣ 0 ⟩ ⟨ 0 ∣ − I ) H ⊗ n = 2 ∣ ψ 0 ⟩ ⟨ ψ 0 ∣ − I D = H^{\otimes n} (2|0\rangle \langle0| - I) H^{\otimes n} = 2|\psi_0\rangle \langle \psi_0| - I D=H⊗n(2∣0⟩⟨0∣−I)H⊗n=2∣ψ0⟩⟨ψ0∣−I
这里, ∣ ψ 0 ⟩ |\psi_0\rangle ∣ψ0⟩ 是初始均匀叠加态, I I I 是单位算符。
Grover 迭代(也称为 Grover 步骤)是依次应用 Oracle 操作和扩散操作的过程:
G = D ⋅ O G = D \cdot O G=D⋅O
每次 Grover 迭代都会将非目标态的概率振幅稍微降低,并将目标态的概率振幅稍微提高。经过若干次迭代(大约为 N \sqrt{N} N 次),目标态的概率振幅会变得非常接近1。
最佳的 Grover 迭代次数 r r r 通常选择为:
r ≈ π 4 N r \approx \frac{\pi}{4} \sqrt{N} r≈4πN
这个次数可以保证目标态的概率振幅最大化,从而在测量时以高概率获得目标态。
在执行完 r r r 次 Grover 迭代之后,对量子态进行测量,获得的结果会是目标态 ∣ m ⟩ |m\rangle ∣m⟩ 的概率非常高,接近于1。
Grover迭代算法的构造包括Oracle操作和Grover扩散操作,这两者结合起来逐步放大目标态的概率振幅。通过多次迭代,Grover算法实现了对未排序数据库中目标项的高效搜索,其复杂度为 O ( N ) O(\sqrt{N}) O(N),比经典算法 O ( N ) O(N) O(N) 有显著的速度优势。