Shift-Invarianz, periodische Funktionen, diskreter Logarithmus, hi

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1 Shift-Invaianz, peiodische Funktionen, diskete Logaithmus, hidden-subgoup-poblem Infomation und Codieung 2 SS Juni 200

2 Shift-Invaianz de Fouie-Tansfomation f (y) = 2π f (x) e iyx dx Ist (T z f ) (x) = f (x + z) die um z geshiftete Funktion, so hat diese die Fouietansfomiete (T z f )(y) = 2π = 2π f (x + z) e iyx dx f (x) e iy(x z) dx = e iyz f (y), d.h. f (y) und (T z f )(y) untescheiden sich nu um einen Phasenfakto, andes gesagt: f (y) = (T z f )(y) Analog gilt das fü die diskete Fouietansfomation

3 f : Z C ist eine peiodische Funktion mit Peiode ( Z), wenn f (x + ) = f (x) fü alle x Z Meist bezeichnet man als Peiode von f das kleinste positive mit diese Eigenschaft Beispiel: fü f : x a x mod ist die Odnung von a modulo, also od (a), die Peiode Sei f peiodisch mit Peiode, fü die diskete FT de Odnung ist f (y) = 0 x< ω yx f (x) f (x) = Dann gilt fü (T z f ) (x) = f (x + z): (T z f )(y) = ω yz f (y) 0 y< ω yx f (y)

4 Intepetation im Kontext des Quantencomputing f : Z C sei peiodische Funktion mit Peiode > 0 die f (x) (0 x < ) bestimmen f vollständig, sie seien O-Basisvektoen eines l-qubit-raumes mit 2 l Betachte unitäe (Shift-)Tansfomationen { f (x + z mod ) (0 x < ) U z : f (x) f (x) ( x < 2 l ) Betachte Vektoen f (y) = ω yx f (x) f (x) = 0 x< f (y) ist Eigenvekto von U z mit Eigenwet ω yz Peiodenbeechnung wie Odnungsbeechnung mittels Phasenschätzung! 0 y< ω xy f (y)

5 Algoithmus zu Peiodenbeechnung Initialisieung : 0 t 0 l mit t = O(l + /ε), T = 2 t Übelageung : T x 0 U : x y x y f (x) Invese QFT T : Messung : Kettenbuchappox. : 0 x<t T T ỹ/ 0 x<t x f (x) = 0 y< 0 x<t 0 y< ỹ/ f (y) ω yx x f (y)

6 Zweidimenensionale diskete Fouietansfomation de Odnung fü Funktionen f : Z Z C f (u, v) = f (x, y) = 0 x< 0 y< 0 u< 0 v< ω (ux+vy) f (x, y) ω ux+vy f (u, v)

7 f : Z Z C hat Peiode (, s) modulo, falls (x, y) Z Z : f (x +, y + s) = f (x, y) Dann gilt insbesondee (x, y) Z Z : f (x, y) = f (0, y xs) Folgeung fü die Fouietansfomiete f (u, v) = = 0 x< 0 y< 0 y< ω (ux+vy) f (x, y) f (0, y) 0 x< ω (ux+v(sx+y))

8 und weite wobei f (u, v) = 0 x< und somit 0 y< ω (u+sv)x = f (0, y) ω vy { 0 x< ω (u+sv)x falls u + sv 0 mod 0 sonst { f (u, v) = 0 y< ω vy f (0, y) falls u + sv 0 mod 0 sonst f (x, y) = 0 v< ω svx+vy f ( sv, v)

9 Ist f : Z Z C eine (, s)-peiodische Funktion, so sind die von 0 veschiedenen Fouiekoeffizienten f (u, v) auf die Geade u + sv 0 mod, also de Geaden mit Steigung /s duch den ullpunkt, konzentiet (und umgekeht!) Etwas abstakte fomuliet: betachte die Guppe G = Z Z H s := {(x, y) G; sx = y} ist eine Unteguppe von G Hs := {(u, v) G; u = sv} = H /s ist die dazu komplementäe Unteguppe von G: G = H s H s G/H s H s f hat Peiode (, s) f konstant auf den H s -ebenklassen f duch Wete auf einem Repäsentantensystem fü die H s -ebenklassen, also auf Hs, eindeutig bestimmt f ist auf Hs konzentiet

10 Sind a, b, > 0 ganze Zahlen, dann nennt man die kleinste positive Zahl s mit a s = b mod (falls sie existiet) den disketen Logaithmus modulo von b zu Basis a : s = log a b mod Es sind keine effizienten klassischen Algoithmen (auch pobabilistische) zu Beechnung von disketen Logaithmen bekannt Die besten Algoithmen fü diskete Logaithmen modulo und zu Faktoisieung von haben die gleiche asymptotische Komplexität (das ist eine empiische Feststellung!) Die vemeintliche Schwieigkeit, diskete Logaithmen zu beechnen, ist Sicheheitshypothese fü Kyptosysteme, ebenso wie die vemeintliche Schwieigkeit des Faktoisieens

11 Betachte die Funktion f : Z Z Z : (x, y) b x a y mod Diese Funktion ist peiodisch mit de Peiode (, s), d.h. f (x + l, y ls) = b x+l a y ls = b x a y = f (x, y) mod Damit egibt sich (Indices und Exponenten mod) f (x, y) = ω svx+vy f (sv, v) 0 v< Die Beechnung von log a b mod setzt voaus, dass = od a bekannt ist Die unitäe Tansfomation U : x y z x y z f (x, y) fü f : (x, y) b x a y mod muss ealisieba sein

12 Shos Algoithmus zu Beechnung des disketen Logaithmus Initialisieung : 0 t 0 t 0 l mit t = O( + /ε) Übelageung : x y 0 T U : Invese QFT T T : Messung : Kettenbuchappox. : T T T 0 x,y<t 0 x,y<t 0 v< 0 x,y<t 0 v< 0 v< ( sv/, ṽ/) s x y f (x, y) = 0 x<t ω svx+vy x y f (sv, v) = ω svx x sv/ ṽ/ f (sv, v) 0 y<t ω vy y f (sv, v)

13 hidden subgoup: die Poblemstellung allgemein: G sei Guppe, H unbekannte Unteguppe von G ρ : G R sei eine Funktion, die auf den ebenklassen von H konstant ist und diese diskiminiet x, y G : ρ(x) = ρ(y) x y H Aufgabe: bestimme ein Ezeugendensystem von H speziell: G = B m, H ein unbekannte Unteaum von G ρ : G R eine Funktion, die auf den ebenklassen von H konstant ist und diese diskiminiet Aufgabe: bestimme eine Basis von H

14 Lösungsstategie es genügt, effizient eine Basis von zu finden (dabei ist H = { y G ; y h = 0 ( h H) } (x,..., x m ) (y,..., y m ) := x y x 2 y 2 x m y n das übliche Skalapodukt auf G). Daaus kann man mit klassischen Mitteln leicht eine Basis von H beechnen. es genügt, effizient Elemente von H gleichveteilt ezeugen zu können

15 Zu Komplexität (vgl. Simons Algoithmus) Allgemein: wähle in B n unabhängig und gleichveteilt n + m (Spalten-)Vektoen v, v 2,..., v n+m und betachte die Matix.. w V = v v n+m =. = W n.. w n Die Matix bestehend aus den esten k Zeilen von V = W n sei w W k =. w k Dann gilt ang W k = k ang W k = k w k / L(W k ) wobei L(W k ) = Zeilenaum von W k

16 (Fots.) Mit P[...] fü Wahscheinlichkeit von [... ] gilt ) P [ang W k = k] = P [ang W k = k ] ( 2k 2 n+m und somit pe Induktion P [ang W k = k] = 0 j<k ) ( 2j 2 n+m ( k n) und schliesslich P [ang W n = n] = 0 j<n ( 2j 2 n+m ) ( 2 n+m + + ) 2 m+ 2 m

17 Lemma: { h H ( )h y H falls y H = 0 sonst Beweis fü y H ist die Aussage kla fü y H gibt es ein k H mit k y 0, also h H( ) h y = h H( ) (h k) y = ( ) k y h H( ) h y = h H dahe muss h H ( )h y = 0 sein T sei ein Repäsentantensystem fü die ebenklassen von H (beachte: T H = G = 2 m ) ( ) h y

18 Gleichveteilte Ezeugung von Elementen aus H mittels QC Initialisieung, H m : m b ρ(b) simultan : H m : Messung : 2 m 2 m b G t T b H b 0 b G b ρ(b) = 2 m 2 m t b ρ(t) t T b H ( ) (t b) y y ρ(t) y G = 2 m t T y G( ) t y ( ) b y y ρ(t) b H = H 2 m ( ) t y y ρ(t) t T y H y mit Wkeit ( ) 2 H ( )t y 2 m = t T T H2 2 2m = H

19 Abschliessende Bemekungen Deutsch-Josza, Odnungs- und Peiodenbeechnung und diskete Logaithmus lassen sich als hidden-subgoup-pobleme auffassen Das Lösungsvefahen lässt sich auf beliebige abelsche Guppen übetagen De histoische Statpunkt fü diese Entwicklung wude von D. S. Simon (994) gesetzt, de das hidden-subgoup-poblem fü eindimensionale Unteäume von B m betachtet hat; P. Sho (994) hatte anschliessend die Idee, die Hadamad-Tansfomation übe B m duch die Fouie-Tansfomation übe Z fü die Odnungsbeechnung (und damit fü die Faktoisieung) zu vewenden

20 D. R. Simon, On the powe of quantum computation, IEEE Poc. 35th Ann. Symp. Foundations of Compute Science, Los Alamos, 994. D. R. Simon, On the powe of quantum computation, SIAM J. Computing, 26(5): , 997. P. W. Sho, Algoithms fo quantum computation: discete logaithms and factoing, IEEE Poc. 35th Ann. Symp. Foundations of Compute Science, Los Alamos, 994. P. W. Sho, Polynomial-time algoithms fo pime factoization and discete logaithms on a quantum compute, SIAM J. Computing, 26(5): , 997.