Karena pertanyaan aslinya adalah tentang deskripsi orang awam, saya menawarkan solusi yang sedikit berbeda yang mungkin lebih mudah dipahami (tergantung latar belakang), berdasarkan evolusi waktu yang berkesinambungan. (Namun saya tidak berpura-pura bahwa itu cocok untuk orang awam.)
Kita mulai dari keadaan awal yang merupakan superposisi seragam semua negara,
dan kami bertujuan untuk menemukan sebuah negara| x⟩yang dapat diakui sebagai jawaban yang benar (dengan asumsi ada tepat satu negara tersebut, meskipun hal ini dapat digeneralisasi). Untuk melakukan ini, kami berkembang dalam waktu di bawah tindakan Hamiltonian
H=| x⟩⟨x| +| ψ⟩⟨ψ| .
Fitur yang sangat indah dari pencarian Grover adalah bahwa pada titik ini, kita dapat mengurangi matematika menjadi subruang hanya dari dua negara
|ψ⟩=12n−−√∑y∈{0,1}n|y⟩
|x⟩H=|x⟩⟨x|+|ψ⟩⟨ψ|.
, daripada membutuhkan semua
2 n . Lebih mudah dijelaskan jika kita membuat basis ortonormal dari kondisi ini,
{ | x ⟩ , | ψ ⊥ ⟩ } mana
| ψ ⊥ ⟩ = 1{|x⟩,|ψ⟩}2n{|x⟩,∣∣ψ⊥⟩}
Menggunakan dasar ini, evolusi waktu
e-iHt| ψ⟩dapat ditulis sebagai
e-it(I+2-nZ+√∣∣ψ⊥⟩=12n−1−−−−−√∑y∈{0,1}n:y≠x|y⟩.
e−iHt|ψ⟩
mana
Xdan
Zadalah matriks Pauli standar. Hal ini dapat ditulis kembali sebagai
e-it(Icos(te−it(I+2−nZ+2n−1√2nX)⋅⎛⎝⎜12n√1−12n−−−−−√⎞⎠⎟,
XZ
Jadi, jika kita berevolusi untuk sementara waktu
t=πe−it(Icos(t2n/2)−i12n/2sin(t2n/2)(Z+X2n−1−−−−−√))⎛⎝⎜12n√1−12n−−−−−√⎞⎠⎟.
, dan mengabaikan fase global, kondisi terakhir adalah
1t=π22n/212n/2(Z+X2n−1−−−−−√)⎛⎝⎜12n√1−12n−−−−−√⎞⎠⎟=(12n−2n−1√2n)+(1−12n2n−1√2n)=(10).
|x⟩
H~=5H, and evolve using H~ and the evolution time would be 5 times shorter. If you wanted to be really radical, replace the 5 with 2n/2, and Grover's search runs in constant time! But you're not allowed to do this arbitrarily. Any given experiment would have a fixed maximum coupling strength (i.e. a fixed multiplier). So, different experiments have different running times, but their scaling is the same, 2n/2. It's just like saying that the gate cost in the circuit model is constant, rather than assuming that if we use a circuit of depth k each gate can be made to run in time 1/k.
The optimality proof essentially involves showing that if you made detection of one possible marked state |x⟩ any quicker, it would make detection of a different marked state, |y⟩, slower. Since the algorithm should work equally well whichever state is marked, this solution is the best one.