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量子物理

arXiv:1112.0548 (quant-ph)
[提交于 2011年12月2日 ]

标题: 量子查询复杂度的读多次公式

标题: The quantum query complexity of read-many formulas

Authors:Andrew M. Childs, Shelby Kimmel, Robin Kothari
摘要: 量子查询复杂度评估任何具有n个黑盒输入位的只读公式是Theta(sqrt(n))。 然而,对于多读公式(即输入具有扇出的公式)的相应问题尚未被充分理解。 尽管最优的只读公式评估算法可以应用于任何公式,但如果输入具有较大的扇出,该算法可能不是最优的。 我们给出一个用于评估具有n个输入、大小为S且有G个门的任何公式的算法,使用O(min{n, sqrt{S}, n^{1/2} G^{1/4}})次量子查询。 此外,我们证明该算法是最佳的,因为对于任何n,S,G,都存在一个具有n个输入、大小不超过S且门数不超过G的公式,其需要 Omega(min{n, sqrt{S}, n^{1/2} G^{1/4}})次查询。 我们还表明,该算法在任意特定深度k >= 3的电路中仍然几乎是最佳的,并且我们给出了一个大小为线性的深度2电路,其需要Omega (n^{5/9})次查询。 这些结果的应用包括布尔矩阵乘积验证的Omega (n^{19/18})下界,具有有限扇出的常数深度电路的量子查询复杂度的几乎精确表征,几个函数(包括PARITY)的新公式门数下界,以及一个线性大小的AC^0电路的构造,该电路只能通过具有Omega(n^{2-epsilon})个门的公式来评估。
摘要: The quantum query complexity of evaluating any read-once formula with n black-box input bits is Theta(sqrt(n)). However, the corresponding problem for read-many formulas (i.e., formulas in which the inputs have fanout) is not well understood. Although the optimal read-once formula evaluation algorithm can be applied to any formula, it can be suboptimal if the inputs have large fanout. We give an algorithm for evaluating any formula with n inputs, size S, and G gates using O(min{n, sqrt{S}, n^{1/2} G^{1/4}}) quantum queries. Furthermore, we show that this algorithm is optimal, since for any n,S,G there exists a formula with n inputs, size at most S, and at most G gates that requires Omega(min{n, sqrt{S}, n^{1/2} G^{1/4}}) queries. We also show that the algorithm remains nearly optimal for circuits of any particular depth k >= 3, and we give a linear-size circuit of depth 2 that requires Omega (n^{5/9}) queries. Applications of these results include a Omega (n^{19/18}) lower bound for Boolean matrix product verification, a nearly tight characterization of the quantum query complexity of evaluating constant-depth circuits with bounded fanout, new formula gate count lower bounds for several functions including PARITY, and a construction of an AC^0 circuit of linear size that can only be evaluated by a formula with Omega(n^{2-epsilon}) gates.
评论: 15页
主题: 量子物理 (quant-ph) ; 计算复杂性 (cs.CC)
引用方式: arXiv:1112.0548 [quant-ph]
  (或者 arXiv:1112.0548v1 [quant-ph] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.1112.0548
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI
期刊参考: MIT-CTP 4330
相关 DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-642-33090-2_30
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来自: Robin Kothari [查看电子邮件]
[v1] 星期五, 2011 年 12 月 2 日 19:56:16 UTC (18 KB)
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