Fourier transformation 就是把群的正则表示进行直和分解

# Fourier Transformation

数学上,Fourier 变换是一个酉变换F:CGσG^(CdimσCdimσ)F:\mathbb{C}G\to \bigoplus_{\sigma\in\hat{G}}(\mathbb{C}^{\dim\sigma}\otimes \mathbb{C}^{\dim\sigma}),从群代数CG\mathbb{C}G 变换到一组向量空间的直和。

这个变换是保持维度的,因为根据 Burnside 引理,对于所有不等价、不可约的酉表示σG^\sigma\in\hat{G},有

dimCG=G=σG^dimσ2=dimσG^(CdimσCdimσ).\dim \mathbb{C}G=|G|=\sum_{\sigma\in\hat{G}}\dim\sigma^2=\dim \bigoplus_{\sigma\in\hat{G}}(\mathbb{C}^{\dim\sigma}\otimes \mathbb{C}^{\dim\sigma}).

具体地,对于每个xGx\in GxCG|x\rangle\in\mathbb{C}G 是群代数的一个 basis,Fourier 变换为

Fx=x^σG^dimσGσ,σ(x),F|x\rangle=|\hat{x}\rangle\triangleq\sum_{\sigma\in\hat{G}}\frac{\dim\sigma}{|G|}|\sigma,\sigma(x)\rangle,

其中σ|\sigma\rangle 是用于标识不可约表示的向量,

σ(x)j,k=1dimσσ(x)j,kdimσj,kCdimσCdimσ|\sigma(x)\rangle\triangleq\sum_{j,k=1}^{\dim\sigma}\frac{\sigma(x)_{j,k}}{\sqrt{\dim\sigma}}|j,k\rangle\in\mathbb{C}^{\dim\sigma}\otimes \mathbb{C}^{\dim\sigma}

可以看作是酉矩阵σ(x)Cdimσ×dimσ\sigma(x)\in\mathbb{C}^{\dim\sigma\times \dim\sigma} 的一个向量化形式。

所以 Fourier 变换写为F=xGx^xF=\sum_{x\in G}|\hat{x}\rangle\langle x|,可以验证,这是一个酉变换。

此外,还可以注意到,Fourier 变换实际上就是对群的正则表示的直积分解。考虑左正则表示LL,即满足

x,yG,L(x)y=xy.\forall x,y\in G,\quad L(x)|y\rangle=|xy\rangle.

那么根据群表示的正交性,

FL(x)F=yGxy^y^=yGσ,σG^j,k=1dimσj,k=1dimσdimσdimσGσ(xy)j,kσ(y)j,kσ,j,kσ,j,k=yGσ,σG^j,k,l=1dimσj,k=1dimσdimσdimσGσ(x)j,lσ(y)l,kσ(y)j,kσ,j,kσ,j,k=σσ^j,k,l=1dimσσ(x)j,lσ,j,kσ,l,k=σG^(σ(x)Idimσ).\begin{aligned} FL(x)F^\dagger &=\sum_{y\in G}|\hat{xy}\rangle\langle \hat{y}|\\ &=\sum_{y\in G}\sum_{\sigma,\sigma'\in\hat{G}}\sum_{j,k=1}^{\dim\sigma}\sum_{j',k'=1}^{\dim\sigma'}\frac{\sqrt{\dim\sigma \dim\sigma'}}{|G|}\sigma(xy)_{j,k}\sigma'(y)_{j',k'}|\sigma,j,k\rangle\langle \sigma',j',k'|\\ &=\sum_{y\in G}\sum_{\sigma,\sigma'\in\hat{G}}\sum_{j,k,l=1}^{\dim\sigma}\sum_{j',k'=1}^{\dim\sigma'}\frac{\sqrt{\dim\sigma \dim\sigma'}}{|G|}\sigma(x)_{j,l}\sigma(y)_{l,k}\sigma'(y)_{j',k'}|\sigma,j,k\rangle\langle \sigma',j',k'|\\ &=\sum_{\sigma\in\hat{\sigma}}\sum_{j,k,l=1}^{\dim\sigma}\sigma(x)_{j,l}|\sigma,j,k\rangle\langle\sigma,l,k|\\ &=\bigoplus_{\sigma\in\hat{G}}\big ( \sigma(x) \otimes I_{\dim\sigma}\big ). \end{aligned}

类似地,有FR(x)F=σG^(Idimσσ(x))FR(x)F^\dagger=\bigoplus_{\sigma\in\hat{G}}\big ( I_{\dim\sigma}\otimes \sigma(x)^\dagger\big ),其中R(x)=yGyxyR(x)=\sum_{y\in G}|yx\rangle\langle y|

实际上,metacyclic 群(循环群半直积得到的群)的 Fourier 变换都可以被量子线路高效地实现,譬如 dihedral 群和 symmetric 群。但是譬如GLGL 群的 Fourier 变换就还不知道是否能被量子线路高效地实现。

# Fourier Sampling

我们先考虑 hidden subgroup problem,考虑一个子群HGH\leq G 和一个在 left coset 上 constant、distinct 的函数f:GXf:G\to X,即:

x,yG, f(x)=f(y)    xH=yH    y1xH.\forall x,y\in G,\ f(x)=f(y)\iff xH=yH\iff y^{-1}x\in H.

然后有一个 oracle Ox,y=xx,yf(x)O|x,y\rangle=|x\rangle|x,y\oplus f(x)\rangle
那么可以构造一个态

1GxGxf(x),\frac{1}{|G|}\sum_{x\in G}|x\rangle|f(x)\rangle,

在测量第二个寄存器后,会等概率 (gGg\in G) 地得到一个态

gH=1HhHgh,|gH\rangle=\frac{1}{\sqrt{|H|}}\sum_{h\in H}|gh\rangle,

丢掉测量结果,即得到一个混合态

ρH=1GgGgHgH=1GHgGh,hHghgh=1GHgGh,hHR(h)ggR(h)=1GHh,hHR(h)R(h)=1GHh,hHR(hh1)=1GhHR(h).\begin{aligned} \rho_H&=\frac{1}{|G|}\sum_{g\in G}|gH\rangle\langle gH|\\ &=\frac{1}{|G|\cdot|H|}\sum_{g\in G}\sum_{h,h'\in H}|gh\rangle\langle gh'|\\ &=\frac{1}{|G|\cdot|H|}\sum_{g\in G}\sum_{h,h'\in H}R(h)|g\rangle\langle g|R(h')^\dagger\\ &=\frac{1}{|G|\cdot|H|}\sum_{h,h'\in H}R(h)R(h')^\dagger\\ &=\frac{1}{|G|\cdot|H|}\sum_{h,h'\in H}R(hh'^{-1})\\ &=\frac{1}{|G|}\sum_{h\in H}R(h).\\ \end{aligned}

那么根据先前的推理,可以知道

ρ^HFGρHFG=1GσG^(Idimσσ(H)),\hat{\rho}_H\triangleq F_G\rho_H F_G^\dagger =\frac{1}{|G|}\bigoplus_{\sigma\in\hat{G}}\left (I_{\dim\sigma}\otimes \sigma(H)^\dagger\right ),

其中,σ(H)=hHσ(h)\sigma(H)=\sum_{h\in H}\sigma(h)

因此ρ^H\hat{\rho}_H 是一个块对角矩阵,而且每个块都是一个不可约的表示σ\sigma 对应的σ(H)\sigma(H)^\dagger

因此如果我们可以在不可约表示基下进行测量,就会有得到σG^\sigma\in\hat{G} 的概率为

Pr(σ)=1Gtr(Idimσσ(H))=dimσGhHχσ(h)=dimσHG(χσ,χ1),\Pr(\sigma)=\frac{1}{|G|}tr\left (I_{\dim\sigma}\otimes\sigma(H)^\dagger\right )=\frac{\dim\sigma}{|G|}\sum_{h\in H}\chi_\sigma(h)^*=\frac{\dim\sigma\cdot |H|}{|G|}(\chi_\sigma,\chi_1),

其中(χσ,χ1)(\chi_\sigma,\chi_1) 是特征标在子群HH 上的内积,而χ1\chi_1 是平凡特征标,即恒等于 1。

这个过程和测量被称为 weak Fourier sampling,接下来我们考虑它怎么用来 reveal 一些子群HH 的信息。

如果GG 是 Abelian 的,那么它的所有不可约表示都是一维的,此时测量结果可以把ρH\rho_H 所有的信息都得到,后面会讨论此时 weak Fourier sampling 和 strong Fourier sampling 是一样的。

如果HH 是正规子群,那么可以证明σ(H)=λI\sigma(H)=\lambda I。因为对于任意gGg\in G,都有gHg1=HgHg^{-1}=H,因此

σ(H)=1GgG,hHσ(ghg1),\sigma(H)=\frac{1}{|G|}\sum_{g\in G,h\in H}\sigma(ghg^{-1}),

可以验证这个算子和σ(g),gG\sigma(g),g\in G 都交换,因此根据 Schur Lemma 有σ(H)=λI\sigma(H)=\lambda I。换句话说,ρ^H\hat{\rho}_H 的每个 block 里都是λI\lambda I 的形式。

这可以看作是 Abelian 群的一个推广。Abelian 群的表示都是 1 维的数字,而正规子群的表示都是λI\lambda I 的形式。

此时 weak Fourier sampling 的测量概率如下:

Pr(σ)={dimσ2H/G,if Hkerσ,0otherwise.\Pr(\sigma)=\begin{cases} \dim\sigma^2\cdot |H|/|G|, & \text{if } H\leq \ker\sigma,\\ 0 & \text{otherwise.} \end{cases}

因为如果HkerσH\cancel\leq \ker\sigma,那么存在一个hHh'\in H 使得σ(h)I\sigma(h')\neq I,注意到

σ(h)hHσ(h)=hHσ(h),\sigma(h')\sum_{h\in H}\sigma(h)=\sum_{h\in H}\sigma(h),

又因为σ(h)\sigma(h') 是 unitary 的,而且σ(H)=λI\sigma(H)=\lambda I,所以必然有σ(H)=0\sigma(H)=\mathbf{0}
否则HkerσH\leq \ker\sigma 时,hH, χ(h)=dimσ\forall h\in H,\ \chi(h)=\dim\sigma

怎么得到HH 的信息呢?我们只需要进行O(logG)O(\log |G|) 次 weak Fourier sampling,然后把测量得到的σG^\sigma\in\hat{G} 的 kernel 都求交,就大概率可以得到HH,下面进行分析。

假设测量了若干次后,求交得到了一个子群KGK\unlhd G,但是HKH\neq K,即H<KGH<K\unlhd G。那么下一次测量,我们得到的σ\sigma 使得KkerσK\leq \ker\sigma 的概率不会太大:

HGσ:Kkerσdimσ2=HK12,\frac{|H|}{|G|}\sum_{\sigma:K\leq\ker\sigma}\dim\sigma^2=\frac{|H|}{|K|}\leq\frac{1}{2},

这里的等号是因为,把之前的Pr(σ)\Pr(\sigma) 中的HH 替换为正规子群KK,就会有

1=σG^Pr(σ)=σ:Kkerσdimσ2KG.1=\sum_{\sigma\in\hat{G}}\Pr(\sigma)=\sum_{\sigma:K\leq\ker\sigma}\frac{\dim\sigma^2\cdot |K|}{|G|}.

H/K1/2|H|/|K|\leq 1/2 是因为 Lagrange 定理。

因此我们可以总结:

只需要进行O(logG)O(\log |G|) 次 weak Fourier sampling,可以得到正规子群的 HSP 问题的解。

# Strong Fourier Sampling

回顾之前在做完 Fourier 变换的状态ρ^H\hat{\rho}_H,我们可以测量σG^\sigma\in\hat{G} 后得到一个状态:

ρ^H,σ=σ(H)hHχσ(h).\hat{\rho}_{H,\sigma}=\frac{\sigma(H)^\dagger}{\sum_{h\in H}\chi_\sigma(h)^*}.

实际上这个状态和投影算子只差一个系数。注意到

σ(H)2=h,hσ(hh)=Hσ(H),\sigma(H)^2=\sum_{h,h'}\sigma(hh')=|H|\sigma(H),

因此

ρ^H,σ2=HhHχσ(h)ρ^H,σ.\hat{\rho}_{H,\sigma}^2=\frac{|H|}{\sum_{h\in H}\chi_\sigma(h)^*}\hat{\rho}_{H,\sigma}.

所以hHχσ(h)Hρ^H,σ\frac{\sum_{h\in H}\chi_\sigma(h)^*}{|H|}\hat{\rho}_{H,\sigma} 是一个投影算子,而且它的 rank 就等于 trace 为

rank(hHχσ(h)Hρ^H,σ)=hHχσ(h)Htr(ρ^H,σ)=hHχσ(h)H.rank\left (\frac{\sum_{h\in H}\chi_\sigma(h)^*}{|H|}\hat{\rho}_{H,\sigma}\right )=\frac{\sum_{h\in H}\chi_\sigma(h)^*}{|H|}\cdot tr(\hat{\rho}_{H,\sigma})=\frac{\sum_{h\in H}\chi_\sigma(h)^*}{|H|}.

注意到经过 weak Fourier sampling 后,测量结果会得到一个不可约表示σ\sigma,测量后状态ρ^H,σ\hat{\rho}_{H,\sigma} 是一个维数为dimσ\dim\sigma 的状态,strong Fourier sampling 就是要寻找合适的基来继续测量这个态。

但是这样的测量基往往是不好找的!
一个最自然的想法就是在空间Cdimσ\mathbb{C}^{\dim\sigma} 中均匀随机找一组基,这可以通过在酉群U(Cdimσ)U(\mathbb{C}^{\dim\sigma}) 上相对于 Haar measure 均匀随机选一个酉矩阵得到,因为酉矩阵的列向量就是一组正交归一基。

Random measurement bases, quantum state distinction and applications to the hid- den subgroup problem 这篇文章就说明了这样随机选取基可以成功得到子群HH 的信息,如果对于任意σG^\sigma\in\hat{G}rank(ρ^H,σ)=poly(logG)rank(\hat{\rho}_{H,\sigma})=poly(\log|G|)

但是实际上,这样的均匀随机选取基往往是失败的,特别是在对称群情况。