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精确量子查询复杂度

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。

条目类型
定义

形式陈述

对偏函数 f:S{0,1},精确量子查询复杂度定义为

QE(f)=minAmaxxSTA(x),

其中 A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)

Πf(x)|ψx2=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,但存在只以正错误达到更低查询数的函数。因此 metadata 的 special_case_of 描述协议集合包含,并不声称 QE(f)Q1/3(f) 数值相等;定义直接给出

Q1/3(f)QE(f).

这里的 exact 也不同于常记作 Q0 的 Las Vegas 零误差算法。后者可允许随机停止时间并只限制期望查询;本页要求有限硬上限且输出分布完全落在正确子空间。若某来源用 Q0 表示固定上限的零误差协议,必须先声明 convention,不能无条件与这里的 QE 画等号。

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)=x1xn,

把坐标两两配对。对第 (2j1,2j) 对,初始化索引态

|2j1+|2j2

和回答态 |。一次 bit 查询后,两项分别带 (1)x2j1(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 2Tn,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。这是真实的 exact 量子优势,却只有因子二,不应由 Deutsch–Jozsa 的 promise 指数分离推断所有 total functions 都有同样现象。

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

Exact 算法是检查模型 convention 的好校准器:整体相位是否有参考、oracle 是否受控、查询逆 oracle 是否收费,都会决定两个终态能否真正正交。只报告“振幅接近 1”仍是 bounded error,不是 exact 证明。

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.
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