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19、量子计算在经典谜题与算法中的优势展现

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张小明

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19、量子计算在经典谜题与算法中的优势展现

量子计算在经典谜题与算法中的优势展现

1. 多假币问题的推广

在假币谜题中,数学家Terhal和Smolin在1998年将其推广到任意数量(k>1)的假币情况。他们采用了平衡预言机模型(B - Oracle),具体操作如下:
1. 给定一个N位的输入x = x₁x₂…xₙ ∈ {0, 1}ⁿ。
2. 构建一个N位三值位的查询字符串q = q₁q₂…qₙ ∈ {0, 1, - 1}ⁿ,其中1和 - 1的数量相同。
3. 答案为1位,规则如下:
- 如果x₁q₁ + x₂q₂+… + xₙqₙ = 0,则为平衡(结果为0)。
- 否则为倾斜(结果为1)。

这里的预言机可看作算法中的黑盒部分,它用于简化电路,并能对量子算法和经典算法的复杂度进行比较。一个好的预言机应具备速度快、通用性强和可行性高的特点。以6个硬币中有2个假币(k = 2,N = 6)为例,图展示了B - Oracle的实际应用。

2. 梅明 - 佩雷斯魔术方块游戏

2.1 游戏规则

这是由物理学家David Mermin和A. Peres提出的经典谜题,体现了量子伪心灵感应,即两名玩家在外部观察者看来似乎能进行超自然的交流,这得益于量子纠缠的神奇特性。游戏如下进行:
- 两个玩家Alice和Bob与一名裁判对抗。魔术方块是一个3x3的矩阵,所有元素为0或1,每行元素之和为偶数,每列元素之和为奇数。但实际上,由于矩阵元素数量为奇数,不存在这样有效的组合(可自行用纸笔验证)。
- 裁判向Alice发送一个整数a ∈ {1, 2, 3},向Bob发送另一个整数b ∈ {1, 2, 3}。Alice需回复

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