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研究生:葉建興
研究生(外文):Chien-hsing Yeh
論文名稱:搜尋最小值之量子演算法
論文名稱(外文):A Fast Quantum Search Algorithm and its Application
指導教授:方文賢
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣科技大學
系所名稱:電子工程系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2007
畢業學年度:95
語文別:中文
論文頁數:77
中文關鍵詞:量子計算Grover搜尋演算法最小值
外文關鍵詞:quantum computationGrover's search algorithmminimum
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量子計算與量子資訊科學是一門新興的研究領域,藉著結合量子力學以及新的物理定律,提供給我們更進階的途徑,來解決傳統電腦所難以克服的問題。其中1996年Grover量子搜尋演算法被提出至今已若干年,其優於傳統搜尋演算法的表現使得量子電腦將為人類的未來提供更多可能性。

近年來,許多學者利用Grover量子演算法在一未排序的N筆資料中搜尋單一目標僅需要O((N)^{1/2})時間,來嘗試尋找最小值的問題。在傳統上,搜尋最小值需要O(N)時間;學者們利用Grover的量子搜尋演算法所得到之結果重複替代oracle中的門檻值來求得最小值,卻只需要O(N^{1/2})時間。不過因平均搜尋時間皆需>45/4(N^{1/2}),所以需N較大時,才能展現其特性。

在本篇論文中,我們提出兩個以Grover量子演算法為主的新式搜尋法在尋找最小值的問題上,方法(1)為使用量子計數來估計被標示狀態的數量以決定最佳所需的重複次數。方法(2)為判斷是否量測到目標值來調適性調整重複次數,藉此來降低方法(1)的複雜度,而其平均搜尋時間只需要O(6(N^{1/2})),因此無論N較大或較小時皆能擁有較佳的表現;且與各學者所提出的搜尋最小值之量子演算法做個討論與比較。

另外,我們把上述所提之演算法應用於天線選擇與影像處理中的區塊移動估測,
由實驗結果可證明,與傳統搜尋演算法比較起來,量子演算法確實擁有極佳的表現。
Quantum computation and quantum information science, which combine the exploration of quantum mechanics and new physical principals, have been a promise for solving complicated problems that are not tractable by conventional computers. In this thesis, we consider quantum search algorithms to search the minimum in an unordered database of N items.

Traditionally, the running time required to locate the minimum is O(N) steps. To alleviate the computational load, various quantum search algorithm of complexity O(N^{1/2}) have been addressed. This thesis presents two fast Grove-based quantum search algorithms to more efficiently find the minimum. The first one uses the quantum counting to estimate the number of marked states to determine the number of iterations required, whereas the second one, to reduce the complexity called for, adaptively adjusts the number of iterations based on whether we can find a lower minimum or not in the present iteration.

Comparison with other related quantum search algorithm is also thoroughly made. To justify the validity of the new algorithm, we apply it to antenna selection and block-based motion estimation problems. As shown by provided simulations, the new algorithm offers lower computational complexity compared with previous works in various scenarios.
第一章緒論
1.1 引言. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 研究動機與目的. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3 論文章節概述. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
第二章量子計算
2.1 量子計算概論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 單一量子邏輯閘簡介. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . 11
2.2.1 Pauli-X 閘 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.2 Pauli-Y 閘 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.3 Pauli-Z 閘 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.4 Hadamard 閘. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3 多量子邏輯閘簡介 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3.1 控制反向閘 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3.2 控制-控制-反向閘 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.3 量子邏輯閘之應用 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.4 結語. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 22
第三章搜尋最小值之量子演算法
3.1 Grover量子搜尋演算法簡介 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.2 D‥urr等學者所提之量子搜尋演算法簡介 . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.3 吳文榮所提之量子搜尋演算法簡介 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.4 Okubo等學者所提之量子搜尋演算法簡介 . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.5 本文所提出量子搜尋演算法(1). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.6 本文所提出量子搜尋演算法(2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.7 討論與比較 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.8 結語 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
第四章應用
4.1 天線選擇 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.1.1 天線選擇方式 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.1.2 天線選擇模擬結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.2 區塊比對原理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.2.1 各種區塊比對法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.2.2 視訊壓縮模擬結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.3 結語 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
第五章結論及未來展望
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