22. الگوریتم سایمون (Simon)
22.1مسئلهٔ دورهٔ پنهان
سایمون (Simon) در ۱۹۹۴ مسئلهای را تعریف کرد که جدایی نمایی را سرانجام عینی کرد. با جعبهسیاه f: {0,1}ⁿ → {0,1}ⁿ موعودشده که دوبهیک با دورهٔ پنهان s ≠ 0 است — یعنی f(x) = f(y) اگر و فقط اگر y = x ⊕ s — پیدا کنید s. هیچ موعود خطی یا متوازن یا چیز دیگری در کار نیست؛ کل فضای ورودی با XOR با s جفتجفت شده. بهطور کلاسیک این سخت به نظر میرسد: برای یافتن s عملاً باید برخورد پیدا کنید، دو ورودی که به یک مقدار میروند.
22.2چرا مسئله اهمیت دارد
سه دلیل. جدایی در برابر کلاسیکِ خطای محدود نمایی است: یافتن برخورد میان 2ⁿ مقدار با کران پایین Θ(2^{n/2}) پرسوجو (کران روز تولد) همراه است — در برابر O(n) پرسوجوی کوانتومی. ماشهٔ تاریخی: پیشچاپ سایمون در ۱۹۹۴ به پیتر شور (Peter Shor) رسید و مستقیماً قالب تجزیه شد؛ بدون سایمون احتمال خوبی هست که الگوریتم شور یک دهه بعد کشف میشد. قالب: سایمون نخستین نمونه از مسئلهٔ زیرگروه پنهان است — بازیابی زیرگروه H از تابعی که روی هممجموعههای H ثابت و متمایز است — و الگوی حلش (برهمنهی، اورکل، نمونهبرداری فوریه، جبر کلاسیک) دقیقاً الگوی شور است.
22.3تداخل کوانتومی
برهمنهی یکنواخت را آماده کنید، اورکل را بزنید و ثبات ورودی به جفتها درهمتنیده میشود: (1/√2ⁿ)·Σ_x |x⟩|f(x)⟩ = (1/√2ⁿ)·Σ_c (|c⟩ + |c⊕s⟩)|f(c)⟩. H^{⊗n} را روی ثبات ورودی اعمال کنید. دامنهٔ خروجی y ضریب 1 + (−1)^{s·y} را حمل میکند — دو جملهٔ هر جفت وقتی s·y = 0 (به پیمانهٔ ۲) سازنده و در غیر این صورت کامل حذفاند. پس توزیع اندازهگیری یکنواخت روی زیرفضای {y : y·s = 0} با اندازهٔ 2^{n−1} است و بیرونش صفر. یک پرسوجو دورهٔ پنهان را به دستگاه معادلات خطی روی GF(2) تبدیل کرده است — هر y نمونهبرداریشده یک معادلهٔ s·y = 0 است.
22.4استخراج جبر خطی
خروجیهای y₁, …, y_k را جمع کنید؛ هر یک s·yᵢ = 0 (پیمانهٔ ۲) را ارضا میکند. آنها را در ماتریس بیتی k×n بچینید و فضای پوچی (kernel) را با حذف گاوسی روی GF(2) حل کنید — جابهجایی سطرها و XOR سطرها، حساب به پیمانهٔ ۲. وقتی معادلات جمعشده رتبهٔ n−1 داشته باشند، فضای پوچی دقیقاً {0, s} است و s بازیابی میشود. برداشتن n−1 نمونه با احتمال Π_{j=1}^{n−1}(1−2^{−j}) ≈ 0.29 رتبهٔ کامل میدهد؛ چند نمونهٔ اضافه آن را نزدیک ۱ میبرد، پس راهبرد استاندارد «دسته بگیر و تکرار کن» است. مجموعاً: O(n) پرسوجوی اورکل، O(n³) پسپردازش کلاسیک — در برابر Θ(2^{n/2}) پرسوجوی کلاسیک. پسپردازش همان بخشی است که باید با دقت پیادهسازی کنید؛ جایی است که بیشتر پیادهسازیهای خانگی سایمون شکست میخورند.
22.5پیادهسازی
گام کوانتومی کامل، شبیهسازیشدهٔ صادقانه برای n = 3 (بردار حالت ۶ کیوبیتی، ۶۴ دامنه):
import numpy as np
from functools import reduce
rng = np.random.default_rng(7)
n, s = 3, 0b101 # رشتهٔ پنهان s = 101
lab = rng.permutation(2 ** n) # مقدار تصادفی بهازای هر جفت {x, x^s}
f = np.array([lab[min(x, x ^ s)] for x in range(2 ** n)])
H = np.array([[1, 1], [1, -1]]) / np.sqrt(2)
Hn = reduce(np.kron, [H] * n) # H روی ثبات ورودی
psi = np.zeros(2 ** (2 * n), dtype=complex)
for x in range(2 ** n):
psi[(x << n) | f[x]] = 1 # |x>|f(x)> پس از اورکل
psi = np.kron(Hn, np.eye(2 ** n)) @ psi # H نهایی روی ثبات ورودی
p = (np.abs(psi.reshape(2 ** n, 2 ** n)) ** 2).sum(axis=1)
sup = np.where(p > 1e-12)[0]
print("support:", sup)
print("all satisfy y·s = 0:",
all(bin(y & s).count("1") % 2 == 0 for y in sup))
اجرااش کنید: پشتیبان {0, 2, 5, 7} است و هر عنصر y·s = 0 را ارضا میکند — ادعای تداخلِ ۲۲.۳، راستیآزماییشده بهصورت عددی نه اعتمادشده.
import numpy as np
Y = np.array([[0, 0, 0], [0, 1, 0], [1, 0, 1], [1, 1, 1]]) # yهای نمونهگیریشده (y·s = 0)
n = 3
M, piv, r = Y.copy() % 2, [], 0
for c in range(n):
pr = next((i for i in range(r, len(M)) if M[i, c]), None)
if pr is None:
continue
M[[r, pr]] = M[[pr, r]]
for i in range(len(M)):
if i != r and M[i, c]:
M[i] = (M[i] + M[r]) % 2
piv.append(c); r += 1
basis = []
for c in range(n):
if c not in piv: # ستون آزاد -> بردار فضای پوچی
v = np.zeros(n, dtype=int); v[c] = 1
for i, pc in enumerate(piv):
if M[i, c]:
v[pc] = 1
basis.append(v)
print(basis) # [array([1, 0, 1])] -> s = 101
22.6پیوند با شور
هر دو الگوریتم را مسئلهٔ زیرگروه پنهان (hidden subgroup problem) ببینید: با f که روی هممجموعههای زیرگروه پنهان H ثابت و متمایز است، H را پیدا کنید. سایمون آن را برای H = {0, s} در گروه (Z₂)ⁿ حل میکند؛ نمونهبرداری فوریه روی (Z₂)ⁿ همان نمونهبرداری هادامارد است و گام کلاسیک، جبر خطی. شور آن را برای H = rZ (مضرب مرتبهٔ r) در گروه اعداد صحیح حل میکند — نمونهبرداری فوریه همان QFT روی گروه پیمانهای است و گام کلاسیک، کسر مسلسل. یک اسکلت: برهمنهی، یک خانواده اورکل، نمونهبرداری فوریه، جبر. الگوریتم سایمون اکتبر ۱۹۹۴ آمد؛ الگوریتم شور، ساختهشده روی ستون فقراتش، چند هفته بعد.