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量子物理

arXiv:2502.08721 (quant-ph)
[提交于 2025年2月12日 (v1) ,最后修订 2025年8月4日 (此版本, v2)]

标题: 补采样:在样本复杂度中的可证明、可验证和NISQ可行的量子优势

标题: Complement Sampling: Provable, Verifiable and NISQable Quantum Advantage in Sample Complexity

Authors:Marcello Benedetti, Harry Buhrman, Jordi Weggemans
摘要: 考虑一个包含$N=2^n$个元素的固定宇宙,以及某个大小为$K$的子集上的均匀分布。 给定来自该分布的样本,补集采样的任务是提供来自补集的样本。 我们给出一个简单的量子算法,仅使用一个量子样本——即该子集元素上的均匀叠加的一个副本。 当$K=N/2$时,我们证明该量子算法以概率$1$成功,而经典情况下需要$\Theta(N)$个样本才能以有界误差概率成功。 这表明在样本到样本的设置中,量子计算可以在与经典计算的比较中实现最大的分离。 此外,我们证明可以将同一界限提升以证明平均情况下的难度。 由此可知,在存在单向函数的假设下,补集采样在样本复杂性设置中提供了可证明、可验证且适用于NISQ设备的量子优势。
摘要: Consider a fixed universe of $N=2^n$ elements and the uniform distribution over elements of some subset of size $K$. Given samples from this distribution, the task of complement sampling is to provide a sample from the complementary subset. We give a simple quantum algorithm that uses only a single quantum sample -- a single copy of the uniform superposition over elements of the subset. When $K=N/2$, we show that the quantum algorithm succeeds with probability $1$, whereas classically $\Theta(N)$ samples are required to succeed with bounded probability of error. This shows that in a sample-to-sample setting, quantum computation can achieve the largest possible separation over classical computation. Moreover, we show that the same bound can be lifted to prove average-case hardness. It follows that under the assumption of the existence of one-way functions, complement sampling gives provable, verifiable and NISQable quantum advantage in a sample complexity setting.
评论: 32页,5幅图。小的更正和说明
主题: 量子物理 (quant-ph)
引用方式: arXiv:2502.08721 [quant-ph]
  (或者 arXiv:2502.08721v2 [quant-ph] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2502.08721
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

提交历史

来自: Marcello Benedetti [查看电子邮件]
[v1] 星期三, 2025 年 2 月 12 日 19:00:10 UTC (47 KB)
[v2] 星期一, 2025 年 8 月 4 日 09:46:02 UTC (49 KB)
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