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e2πiδ−1 2N(e2πiδ/2N −1) 2

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Academic year: 2021

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(1)

Universit¨at Regensburg, Institut f¨ur Theoretische Physik Summer 2020 Prof. Dr. Christoph Lehner, Andreas Hackl

Exercise: Quantum Computing

Problem set 4 (to be discussed in week of May 25, 2020)

Problem 1 Phase estimation success rate

In the lecture, we discussed that the probability of measuring a φ˜= x

2N (1)

in the phase estimation algorithm given a true eigenvalue φ∈[0,1[ that satisfies

|φ−φ| ≤˜ 2−n (2)

is at least 1−εfor

N =n+ log2

2 + 1 2ε

(3) qubits. Derive this limit through the following steps.

a) Show

m−1

X

i=0

xi = xm−1

x−1 (4)

by induction.

b) In the lecture, we have shown that the state before measurement is given by

|ψi= 1 2N

2N−1

X

k,x=0

e2πik(φ−x/2N)|xi ⊗ |ui (5)

for eigenstate|uifor phaseφ. Show that the probability of measuring ˜φ=φ−δ/2N is given by

p(δ) =

e2πiδ−1 2N(e2πiδ/2N −1)

2

. (6)

c) Use |e−1| ≤2 and|e−1| ≥2|θ|/πforθ∈[−π, π] to show that p(δ)≤ 1

2. (7)

d) The possible values for δ can be written as the series

δi0+i (8)

withi∈ {−2N−1, . . . ,2N−1−1} and|δ0| ≤ 12. The precise value of δ0 depends on N andφ.

1

(2)

The restriction |φ−φ| ≤˜ 2−n translates to |δ| ≤ 2N−n such that the probability of failure to measure within the given accuracy is given by

pfail= X

i∈{−2N−1,...,2N−1−1};|δ0+i|>2N−n

p(δ0+i) (9)

≤ X

i∈{−2N−1,...,2N−1−1};|i|>2N−n−1

p(δ0+i) (10)

≤ X

|i|>2N−n−1

p(δ0+i)≤2 Z

2N−n−2

p(δ)dδ . (11)

Show that to achieve pfail≤ε, we need at least N =n+ log2

2 + 1

(12) qubits.

2

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