가역 게이트 분류


22

1941 년 Emil Post가 기술 한 Post 's lattice 는 기본적으로 단일 톤 함수, GF (2)를 통한 선형 함수 및 모든 함수와 같이 구성으로 닫히는 부울 함수 세트의 완전한 포함 다이어그램입니다. (포스트는 상수 0과 1을 무료로 사용할 수 있다고 가정하지 않았기 때문에 격자가 다른 것보다 훨씬 복잡해졌습니다.)

내 질문은 Toffoli 및 Fredkin 게이트와 같은 고전 가역 게이트에 대해 유사한 것이 게시되었는지 여부 입니다. 즉, {0,1} n 에 대한 가역적 변환의 어떤 클래스 는 가역적 게이트의 일부 집합에 의해 생성 될 수 있습니까? 규칙은 다음과 같습니다. {0,1} n 의 변환이 완료되면 모든 ancilla 비트가 초기 설정으로 돌아 오는 한 무제한 ancilla 비트 수, 일부는 0으로 사전 설정되고 다른 일부는 1로 사전 설정 이 허용됩니다. 끝마친. 또한 2 비트의 SWAP (즉, 인덱스 레이블 재 지정)은 항상 무료로 제공됩니다. 이 규칙에 따라 저의 학생 Luke Schaeffer와 저는 다음과 같은 열 가지 변형을 확인할 수있었습니다.

  1. 빈 세트
  2. NOT 게이트에 의해 생성 된 세트
  3. NOTNOT에 의해 생성 된 세트 (즉, 비트 중 2 개에 적용되는 NOT 게이트)
  4. CNOT에 의해 생성 된 세트 (즉, Controlled-NOT 게이트)
  5. CNOTNOT에 의해 생성 된 세트 (즉, 첫 번째 비트가 1 인 경우 두 번째 및 세 번째 비트를 뒤집 음)
  6. CNOTNOT 및 NOT에 의해 생성 된 세트
  7. Fredkin (즉, Controlled-SWAP) 게이트에 의해 생성 된 세트
  8. Fredkin과 CNOTNOT이 생성 한 세트
  9. Fredkin, CNOTNOT 및 NOT에서 생성 한 세트
  10. 모든 변형 세트

우리는 남은 가족을 식별하고 분류가 완료되었음을 증명하고 싶습니다. 그러나 많은 시간을 소비하기 전에 다른 사람이 이전에 해본 적이 있는지 알고 싶습니다.


NOTCSWAP가 제어 스왑과 같지만 c 인수가 0 일 때 x, y 인수를 교환합니다 (CSWAP에서와 같이 c가 1 일 때 교환하는 대신). 모든 해밍 가중치 보존 순열을 얻으려면이 두 가지가 필요합니다. CSWAP는 해밍 가중치 ≥2의 벡터 만 치환하고 NOTCSWAP는 해밍 웨이트 ≤n-2의 벡터 만 치환합니다.
David Eppstein

또한 더 많은 수의 제어 비트를 0 또는 0이 아닌 값으로 요구함으로써 해밍 가중치 보존 순열의 더 제한된 하위 집합을 얻을 수 있으며, 적어도 또는 최대 임의의 해밍 가중치를 갖는 순열 벡터 만 경계. 따라서 이것은 많은 클래스의 변환을 제공합니다.
David Eppstein

고마워, 데이비드-그러나 나는 그러한 "통과"를 배제하기 위해 0과 1 개의 ancillas가 무료로 이용 가능하다고 가정했다. 그렇지 않습니까?
Scott Aaronson

1
하자 Cn 해밍 무게 모듈로 보존되는 모든 변경의 클래스가 n . 그러면 Cn 요구 사항을 충족시키고 CnCm iff m|n : noninclusions의 Cn 곳이 목격되고 n -ary 함수 fnfn(0n)=1n , fn(1n)=0nx 0 n , 1 n의 경우 f ( x ) = xf(x)=x 입니다. 특히, 이러한 무한히 많은 클래스는 모두 다릅니다. x0n,1n
Emil Jeřábek은 Monica

2
이러한 아이디어가 다듬어 졌고 아래 Emil의 답변을 참조하는 eccc.hpi-web.de/report/2015/066 문서를 참조하십시오 .
András Salamon

답변:


13

이것은 표준 클론-이중 클론 이중성과 같은 가역적 변환에 대한 이중성의 절반을 나타냅니다 (예 : 여기 ). 질문에 대답하지는 않지만 그러한 함수의 닫힌 클래스는 모두 특정 형식의 속성을 보존하여 결정됨을 보여줍니다.

표준 사례와 달리 주요 합병증은 순열이 계산 될 수 있고 (카디널리티를 유지함) 불변 인이이를 설명하기 위해 약간의 산술이 필요하다는 것입니다.

잠정적 인 용어부터 시작하겠습니다. 유한베이스 세트 수정하십시오 A. (고전의 경우 Scott은 에 대해 묻습니다 A={0,1}. 토론의 일부는 무한한 대해서도 작동 A하지만 주요 특성은 아닙니다.)

순열의 집합 (또는 가역 변환)는 서브 세트 CP:=nNSym(An) , Sym(X) 의 순열의 그룹이고 X . 순열 클론 순열의 집합 C 그러한

  1. 기음(에이) 은 조성에 따라 닫힙니다.

  2. 어떤 옵션 π({1,,}) , 순열 π~(에이) 에 의해 정의 π~(엑스1,,엑스)=(엑스π(1),,엑스π())기음 있습니다.

  3. 만약 에프기음(에이)기음(에이) , 순열 에프×(에이+) 에 의해 정의 (에프×)(엑스,와이)=(에프(엑스),(와이))기음 .

이후 1 개 수단 유한 CSym을 ( n은 ) 의 서브 그룹 인 Sym을 ( N ) . OP는 전치 π에 2 만 요구 하지만 여기서 버전은 분명히 동일합니다. 조건 3은 위의 ​​주석에서 더미 변수 도입이라는 것과 동일합니다.에이기음(에이)(에이)π

마스터 복제는 ancillas의 수당 순열 클론입니다 :

  1. 하자 , g Sym을 ( N )경우 → m은 같은 것이 F ( X , ) = ( g ( X ) , ) 모든 X N . 이어서 f를 C 의미 g C는 .에프(에이+)(에이)에이에이에프(엑스,에이)=((엑스),에이)엑스에이에프기음기음

우리는 특정 불변에 의해 순열 클론과 마스터 클론을 특성화하는 것을 목표로합니다. 먼저 에 대한 몇 가지 예를 통해 후자에게 동기를 부여하겠습니다 .에이={0,1}

  • 해밍 가중치를 유지하는 순열의 마스터 복제본 (Fredkin 게이트에서 생성). N{ 0 , 1 } 포함을 나타내는 경우 이러한 순열은 y = f ( x ) 특성으로 특성화됩니다. {0,1} 여기서,f를Sym을(N), 및 I는 물품(X)=(X1,...,XN).

    와이=에프(엑스)나는=1(엑스나는)=나는=1(와이나는),
    에프(에이)엑스=(엑스1,,엑스)
  • 주석에 언급 된 해밍 가중치 모듈로 고정 보존하는 순열의 마스터 클론 . w{ 0 , 1 } 에서 고리 형 그룹 C ( m ) 까지의 함수로 해석 하고 그 합을 계산하면 위와 동일한 공식이 특징 입니다.mw{0,1}C(m)

  • 아핀 순열의 마스터 클론 , M G L ( n , F 2 ) , b F n 2 (CNOT에서 생성). 용이 한 검사 (또는 포스트 케이스로부터 알)이 단일 출력 함수 F N 2F (2) 가 관계를 유지 IFF에 어파 인 X 1X 2X 3X 4 = 0f(x)=MxbMGL(n,F2)bF2에프2에프2엑스1엑스2엑스엑스4=0. 따라서 w ( x 1 , x 2 , x 3 , x 4 ) = x 1x 2x 3x 4 로 정의 하면 f Sym ( A n ) 은 클론에 있습니다. iff y 1 = f ( x 1:{0,1}{0,1}

    (엑스1,엑스2,엑스,엑스4)=엑스1엑스2엑스엑스4,
    에프(에이) 우리는 모노 이드의 합계를 다루고 있으므로({0,1},0,최대).
    와이1=에프(엑스1)와이4=에프(엑스4)최대나는=1(엑스나는1,,엑스나는4)=최대나는=1(와이나는1,,와이나는4),
    ({0,1},0,최대)

일반적으로 가중치 함수 는 매핑 이며, 여기서 k N 이고 M 은 정류 적 모노 이드입니다. 마스터 가중치 함수는 모든 대각 맵핑 하나 유전율 -tuples을 ( , ... , ) , 의 가역 요소 M . 보자 W는 모든 체중 기능의 클래스를 나타내며, M (W) 마스터 체중 기능.:에이케이케이케이(에이,,에이)에이에이

경우 w : KM은 가중 함수, 우리는 말할 W는 이다 불변성 F , 또는 (아무렇게나 용어 차입) F는 A는 다형성 w 및 기록 F w , 다음 조건이 모든 ( x j i ) j = 1.에 해당하는 경우 k i = 1 .. n , ( y j i에프(에이):에이케이에프에프에프 :(엑스나는j)나는=1..j=1..케이,(와이나는j)나는=1..j=1..케이에이×케이

경우 , 그런 다음 N Σ= 1 w ( X I를 ) = N Σ는 i가 = 1( Y I ) .와이1=에프(엑스1),,와이케이=에프(엑스케이)

나는=1(엑스나는)=나는=1(와이나는).

여기에서 , x i = ( x 1 i , , x k i )y에 대해서도 비슷합니다 . 즉, F w 경우 f는 (또는 그 대신에 평행하게 연장 ( 경우 → K ) n은 )의 합계 유지 w 의 인수를 -weights.엑스j=(엑스1j,,엑스j)엑스나는=(엑스나는1,,엑스나는케이)와이에프에프(에이케이)

관계 PW (또는 M W는 ) 순열 세트 사이 갈루아 연결 유도 CP를 , 무게 함수 클래스 DW , 일반적인 방법 : ( D )기음 각각의 치환이 닫힌 집합 및 (마스터) 가중 함수 폐쇄 클래스의 전체 격자 사이 따라서 이중 동형. 우리가 올바른 길을 가고 있음을 확인하기 위해 닫힌 순열 세트가 실제로 클론임을 관찰합니다.

Pol(D)={fP:wD(fw)},Inv(C)={wW:fC(fw)},MInv(C)=MWInv(C),

보조 정리 : 만약 다음 ( D는 ) 순열 클론이다. 경우 DM W 다음 ( D는 ) 마스터 클론이다.DWPol(D)DMWPol(D)

증명 : 첫 번째 주장은 다소 분명합니다. 두 번째로, , f , g , a 는 조건 4에서와 같이 f w 이고, ( x j i ) , ( y j i )g w 의 정의에서와 동일하게하십시오 . 넣어 ˉ X J = ( X의 J를 , ) , ˉ Y J = ( Y J ,wDf,g,afw(xij),(yij)gwx¯j=(xj,a) u i = w ( a i , , a i ) . 이어서 F W를 의미하는 N Σ= 1( X ) + m Σ= 1 U I = N + m Σ= 1 w ( ˉ X I )y¯j=(yj,a)=f(x¯j)ui=w(ai,,ai)fw 그러나, U 에서 가역이다 M 으로 w 따라서, 마스터 가중치 함수 N Σ= 1 w ( X I ) = N Σ I

나는=1(엑스나는)+나는=1나는=나는=1+(엑스¯나는)=나는=1+(와이¯나는)=나는=1(와이나는)+나는=1나는.
나는
QED나는=1(엑스나는)=나는=1(와이나는).

계속 진행하기 전에 한 가지 문제를 해결해야합니다. 단일체는 거대 할 수 있으므로이 형태의 변형은 쓸모없는 추상 넌센스로 의심 될 수 있습니다.

첫째는, 가중치 함수 주어진다 , 우리가 가정 할 수 M이 의해 생성 w ( K ) (마스터의 경우, 대각 원소의 이미지 첨가제 역함수에 의해)의 다른 요소로 M을 입력하지 사진. 특히, M유한하게 생성됩니다 . 둘째, 보편적 인 대수학에서 일반적으로 결과로, 우리가 쓸 수있는 M을 subdirect 제품으로 M Π 내가 I M ,M의 :에이케이(에이케이)

나는나는나는,
나는는 간접적으로 돌이킬 수없고, i 번째 생성물 투영 π i 를 통한 M 의 몫 이고; 특히, 그것은 여전히 ​​유한하게 생성 된 정류 일산 체이다. Mal'cev의 결과로, fg subdirectly unreducible commutative monoids (또는 semigroups)는 사실상 유한 합니다. 매핑 w i = π iw : A kM i 는 다시 가중치 함수이며, w 인 경우 마스터 이며 Pol ( w ) = i 임을 쉽게 알 수 있습니다. 나는나는π나는나는=π나는:에이케이나는 따라서 일반성을 잃지 않고 무게 함수w:AkM으로주의를 제한 할 수 있습니다.여기서M은 유한하고 간접적으로 되돌릴 수 없습니다. 하자FW는체중 기능의 종류, 그리고 넣어 인보이스를 ( C )
Pol(w)=iIPol(wi).
w:AkMMFW 유한 subdirectly 기약 가환 monoids로서는 환상 그룹 인C(P의D), 및 절단 부가 monoids({0,...,D},0,{D,X+Y}). 일반적인 경우는 더 복잡하지만 그럼에도 불구하고 구조에 대해 많은 것을 말할 수 있습니다. 하나는C(p
Inv(C)=FWInv(C),MInv(C)=FWMInv(C).
C(pd)({0,,d},0,min{d,x+y}) 및 일부 속성을 갖는 유한 nilsemigroup입니다. 자세한 내용은그릴을 참조하십시오.C(pd)

이제이 게시물의 요점을 준비했습니다.

정리 : Galois 연결에서 유한 한 부분적으로 돌이킬 수없는 (마스터) 가중치 함수에 대한 닫힌 순열 세트는 정확히 순열 클론 (마스터 클론, 각주)입니다.

경우 즉, 다음에 의해 발생 된 순열 복제 C가( 인보이스 ( C가 ) ) 및 마스터에 의해 생성 된 복제 C가( MInv ( C ) ) .CPCPol(Inv(C))CPol(MInv(C))

CfSym(An)Cw:AkM기음에프기음

케이=|에이|에프에이케이에이케이에프

엑스1엑스와이1와이기음(에이)j=1,,케이(엑스1j,,엑스j)=(와이1j,,와이j).
기음(에이)기음(에이)에이케이기음(에이)'(에이')엑스1엑스와이1와이엑스1'엑스''와이1'와이''×'기음(에이+')엑스1엑스엑스1'엑스''와이1와이와이1'와이''.

따라서 우리는 몫의 monoid를 형성 할 수 있습니다 =에프/. 스왑 순열은엑스와이와이엑스 각각 엑스,와이에이케이; 즉, 발전기 통근, 따라서 정식입니다. 가중치 함수 정의:에이케이 자연스럽게 포함 에이케이 ...에서 에프 몫지도로 구성됩니다.

보기 쉽다 기음(): 실제로 기음(에이), 와이1=에프(엑스1),,와이케이=에프(엑스케이)그런 다음

i=1mw(xi)=x1xm/=y1ym/=i=1mw(yi)
by the definition of (using the notation as in the definition of ). On the other hand, assume fw. Let {aj:j=1,,k} be an enumeration of An, bj=f(aj), and let ai,biAk for i=1,,n be again as in the definition of . Then
a1an/=i=1nw(ai)=i=1nw(bi)=b1bn/,
hence by the definition of , there exists gCSym(An) such that g(aj)=bj=f(aj) for each j. However, since the aj exhaust An, this means g=f, i.e., fC, a contradiction. This completes the proof for permutation clones.

Even if C is a master clone, w needn’t be a master weight function, in fact, the diagonal elements are not even necessarily cancellative in M, hence we need to fix it. For each cA, let c=(c,,c)Ak, and define a new equivalence relation on F by

x1xmy1ymc1,,crAx1xmc1cry1ymc1cr.
Using the fact that elements of Ak commute modulo , it is easy to show that is again a congruence, hence we can form the monoid M=F/, and a weight function w:AkM. Since extends , M is commutative, and a quotient of M; in particular, CPol(w). On the other hand, if fw, then the same argument as above together with the definition of would give a gCSym(An+r), and c1,,crA such that
g(x,c1,,cr)=(f(x),c1,,cr)
for all xAn, thus fC as C is a master clone, a contradiction.

The definition of ensures that

xcycxy
for all x,yF, and cA. It follows that the elements c/=w(c) are cancellative in M. It is an easy well-known fact that any commutative monoid can be embedded in another one where all cancellative elements become invertible. The composition of such an embedding with w is then a master weight function w, and Pol(w)=Pol(w), hence wMInv(C)MInv(f). QED

EDIT: A generalization of the clone–coclone duality above is now written up in

[1] E. Jeřábek, Galois connection for multiple-output operations, preprint, 2016, arXiv:1612.04353 [math.LO].


이것을 작성하기 위해 노력한 것에 대해 대단히 감사합니다! 클론과 보편적 대수의 언어는 나에게 매우 추상적이기 때문에 그것을 소화하는 데 시간이 걸릴 것입니다. 그러나 우리가 구체적으로 클론을 연구함에 따라, 실제로 우리가 알고있는 모든 예와 같이 그것들이 불변량으로 특징 지워진다는 것을 아는 것이 유용합니다. (우연히, 불변 인으로 특징 지어지는 Fredkin + NOT를 보려면 입력 을 보고 모든 변환이 패리티의 합을 유지한다고 말합니까?)
Scott Aaronson

Meanwhile, I have progress to report on the concrete question. I was able to classify all the points in the lattice above the Fredkin gate: the only possibilities are the transformations that preserve the Hamming weight mod k for any k, the transformations that either preserve or flip the Hamming weight mod 2 (generated by Fredkin+NOT), and all transformations. I can also characterize all points in the lattice above CNOTNOT: they're only the ones I listed in the OP (CNOTNOT+NOT, CNOT, Fredkin+NOTNOT, Fredkin+NOT, everything).
Scott Aaronson

Yes, for Fredkin+NOT, we can take M=C(2), w(x,y)=xy. 업데이트 주셔서 감사합니다, 이것은 매우 좋은 소리.
Emil Jeřábek은 Monica

1
물론 불변 인이 실제로 증거에서 벗어난 것보다 훨씬 작을 것이라는 희망이 있습니다. (포스트 사례에서 발생할 수있는 최악의 상황은케이+1.) Galois 연결은 구체적인 분류에 직접적으로 도움이되지 않으며 방법론적인 도구입니다. 먼저, 어떤 종류의 속성을 찾아야하는지 알 수없는 경우 이전에 알 수없는 클래스를 찾는 것이 더 쉬울 수 있습니다. 둘째, Post 분류 증명의 일반적인 단계는 다음과 같습니다. 우리는 수업에 도착했다기음격자 중앙 어딘가에 있고 그 위의 클래스를 설명하고 싶습니다. ...
Emil Jeřábek는 Monica

1
... 기음 변하지 않는 관계에 의해 결정됩니다 아르 자형1,,아르 자형케이. 그런 다음 적절한 확장기음 포함해야합니다 에프 일부를 보존하지 않는 아르 자형나는일반적으로 조작 할 수 있습니다 에프적은 수의 변수에서 특정 함수로 구성 등에 의해. 이런 식으로,리스트를 얻는다에프1,,에프기음 모든 클래스가 엄격하게 위의 기음 에 의해 생성 된 클래스를 포함 기음{에프나는} 일부 나는위의 격자 부분으로 진행할 수 있습니다. 이것은 일반적인 서신이 필요하지 않지만 특정 클래스의 불변성을 아는 것은 알고 있습니다.
Emil Jeřábek은 Monica
당사 사이트를 사용함과 동시에 당사의 쿠키 정책개인정보 보호정책을 읽고 이해하였음을 인정하는 것으로 간주합니다.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.