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定义Definition

精确量子查询复杂度

施工中 · 内容逐步修订

Exact quantum query complexity · Exact quantum queries

要求每个合法输入上以概率一给出函数值的最小最坏量子 oracle 调用数。

形式陈述 ​

取整数 n≥1、非空 S⊆{0,1}n。对偏函数 f:S→{0,1},精确量子查询复杂度定义为

QE(f)=minAmaxx∈STA(x),

其中 A 是量子查询算法,每个合法 x 的最终测量都以概率 1 输出 f(x),而 TA(x) 是该输入任意执行分支的查询硬上限。等价地,若 |ψx⟩ 是终态,则对输出投影 Πf(x) 有

‖Πf(x)|ψx⟩‖2=1.

Exact 是固定 $1/3$ 有界误差协议类的严格子类:每个 exact 协议都是合法 bounded-error 协议,且允许正错误确实能降低某些任务的查询数:例如 ORn 的精确多项式次数为 n,所以下面的次数界给 QE(ORn)≥n/2,而有界误差搜索只需 O(n)。协议集合的包含关系直接给出

Q1/3(f)≤QE(f).

常记作 Q0 的 Las Vegas 零误差模型允许随机停止时间,并按期望查询数计费;本页的 QE 则采用有限硬上限。若某来源也用 Q0 表示固定硬上限、总能给出正确答案的模型,那么该记号与这里的 QE 相同。

直觉

量子测量通常带概率,但正交状态仍可被确定地区分。Exact 算法的任务是让所有 0-输入终态进入一个子空间、所有 1-输入终态进入正交子空间;每一类内部的状态不必相同。干涉可以用较少查询计算关系,却不能留下任何“很小但非零”的错误振幅。

误差放大只让错误趋近零,不会在有限次重复后自动等于零。故 exact 不是把 bounded-error 中的常数换成更小常数,而是改变可接受协议集合;多项式表示也从近似约束变成逐点精确约束。

例子与边界

对 total parity

PARITYn(x)=x1⊕⋯⊕xn,

把坐标两两配对。对第 (2j−1,2j) 对,初始化索引态

|2j−1⟩+|2j⟩2

和回答态 |−⟩。一次 bit 查询后,两项分别带 (−1)x2j−1 与 (−1)x2j;在和、差基测量便确定这两个 bit 的 xor。把所有配对 xor 经典相加;若 n 为奇数,再直接查询最后一位。因此

QE(PARITYn)≤⌈n2⌉.

下界复用查询多项式定理:T 次量子查询的接受概率次数至多 2T,而 parity 的精确多项式次数为 n。于是 2T≥n,整数化后

QE(PARITYn)=⌈n2⌉.

经典确定性算法需要 n 次查询;任一未读位都能翻转 parity。这给出全函数上的精确量子优势:查询数由 n 降到 ⌈n/2⌉。

边界还包括定义域。若只在某个 promise 子集计算 parity,精确多项式只需在该子集匹配,次数下界可能下降。若最终输出允许多个合法答案,则对象是 relation,不再由上述布尔输出投影直接描述。

推论与应用

精确算法的正确性证明要验证不同输出对应的终态子空间正交。分析电路时,应明确整体相位的参考和 oracle 的控制方式;统计成本时,还要计入逆 oracle 调用。这些模型约定决定了所展示的区分操作能否按声称的预算实现。

精确多项式次数给出通用下界,但最多通过 2T 损失因子二,也未必总是紧。更强 exact 下界可能需要 adversary、sum-of-squares 或问题专用结构;不能把低次精确多项式自动反演成同阶量子算法。

参考资料
  • Robert Beals, Harry Buhrman, Richard Cleve, Michele Mosca, and Ronald de Wolf, “Quantum Lower Bounds by Polynomials,” Journal of the ACM 48(4), 2001, pp. 778–797.
  • Ashley Montanaro, Richard Jozsa, and Graeme Mitchison, “On Exact Quantum Query Complexity,” Algorithmica 71, 2015, pp. 775–796.
  • Edward Farhi, Jeffrey Goldstone, Sam Gutmann, and Michael Sipser, “A Limit on the Speed of Quantum Computation in Determining Parity,” Physical Review Letters 81, 1998, pp. 5442–5444.
关系图谱13 个相邻概念 · 3 类关系

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