14、量子算法：Simon周期性算法与Grover搜索算法解析

量子算法：Simon周期性算法与Grover搜索算法解析

1. Simon周期性算法

1.1 问题引入

在函数分析中，我们常常会遇到寻找函数隐含模式的问题。假设给定一个函数 (f : {0, 1}^n \to {0, 1}^n)，它以黑盒形式给出，我们可以对其进行求值。同时，存在一个秘密的二进制字符串 (c = c_0c_1c_2 \cdots c_{n - 1})，对于所有的字符串 (x, y \in {0, 1}^n)，满足 (f(x) = f(y)) 当且仅当 (x = y \oplus c)，这里的 (\oplus) 是按位异或操作。我们称 (c) 为 (f) 的周期，Simon算法的目标就是确定这个周期 (c)。

1.2 经典解法分析

经典方法是对不同的二进制字符串进行 (f) 求值，每次求值后检查该输出是否已经出现过。当找到两个输入 (x_1) 和 (x_2) 使得 (f(x_1) = f(x_2)) 时，我们可以通过 (x_1 \oplus x_2 = c) 得到 (c)。如果函数是二对一的，在最坏情况下，需要进行 (2^{n - 1} + 1) 次函数求值才能确定 (c)。

1.3 量子算法步骤

Simon算法的量子部分主要包括多次执行以下操作：

graph LR
    A[|0⟩^n] --> B(H⊗n)
    B --> C(Uf)
    C --> D(H⊗n)
    D --> E[|ϕ3⟩]
    F[|0⟩^n] --> C

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