양자 컴퓨터가 지수 이점을 제공하는 것으로 알려진 문제가 있습니까?


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일반적으로 양자 컴퓨터는 적어도 일부 작업에서 클래식 장치보다 성능이 뛰어나다 고 주장되고 있습니다.

양자 컴퓨터가 고전적인 장치를 능가 할 것이라고하는 문제의 가장 일반적으로 인용 된 예 중 하나는 , 그러나 다시, 또한 여부를 알 수 없습니다 인수 분해는 (여부도 고전 컴퓨터와 효율적으로 풀 수있다 고려해 P ).FactoringFactoringFactoringP

퀀텀 컴퓨터가 데이터베이스 검색과 같은 이점을 제공하는 것으로 알려진 다른 일반적으로 인용되는 문제의 경우 속도 향상은 다항식입니다.

양자 컴퓨터가 기하 급수적 인 이점을 제공한다는 것이 입증 될 수있는 알려진 문제가 있습니까 (강력한 계산 복잡성 가정 하에서 증명되거나 입증 된)?


지수 양자 우위가 입증 된 (또는 오히려 강한 가정 하에서 입증 된) 샘플링 문제 (예 : BosonSampling 및 IQP)가 있기 때문에 문제를 결정 문제 로 제한하면 대답이 '아니오'라고 말하고 싶습니다. 내가 모르는 다른 사람들이있을 수 있습니다.
glS

팩토링을위한 이미 많은 하위 지수 비용 고전 알고리즘이 있음에 유의하십시오. (다항식과 지수 비용 사이에는 상당한 차이가 있습니다.)
Squeamish Ossifrage

헤더가 말했듯이 이것은 고전 (및 양자) 컴퓨터의 한계가 알려지지 않았기 때문에 현재 알려져 있지 않습니다. 귀하의 질문에 제시 한 기준은 궁극적으로 답변자가 P 및 NP 이외의 관계를 입증하는 것 이상으로 나아가도록 요구합니다. 다른 가능한 예 (및 인수 분해)를 요청하기 위해 귀하의 질문에 대해 말을 권유하십시오.
Toby Hawkins

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들어 Shor의 알고리즘이 실제 GNFS보다 실제로 성능을 능가 할 수 있는지 에 대한 양자 속도 향상 의 실제 결과 도 비용의 성장 곡선의 점근 적 관계에 의해 반드시 암시되지는 않습니다 . 점근 적 설정 구체적인 설정 에 대한 자세한 내용은 이 답변 을 참조하십시오 .P = NP와 관련된 질문이 암호화 및 실제 성능 비교를 위해 약간의 청어 인 이유는 무엇입니까?
Squeamish Ossifrage

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@SqueamishOssifrage 정확합니다. P의 멤버십 과 '효율적인' 을 동일시 하는 것은 컴퓨터 과학자들이 절대적인 진실보다 더 희망적인 생각 이라고 덧붙이고 싶습니다 . 아이디어는 P에 문제가 있음을 보여 주었을 때 , 와 같은 것이라도 O ( n 3 ) 와 비슷한 것으로 면도기 에서 조금 더 가까운 것으로 개선 될 것입니다 . 아늑한 '조건부 하한'. 신용을 위해, 이것은 과거에 일반적으로 일어났다. 그러나 이것은 보장되지 않으며 실용성은 '구현 불가능'한 것으로 간주되는 '선형'알고리즘도 존재합니다. O(n1235436546)O(n3)
이산은 도마뱀

답변:


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함수 가정 다음 흥미로운 특성을 갖는다 :이 존재 { 0 , 1 } N 되도록 F ( X ) = F ( Y ) 경우에만, X + Y = . 경우에 S = 0 유일한 해결책은이 수단 (F)은 1 대 1이고; 그렇지 않으면 f ( x ) 와 같이 0이 아닌 s 가 있습니다.f:F2nF2ns{0,1}nf(x)=f(y)x+y=ss=0fs모든 x에 대해 = f ( x + s ) , 2 = 0 이므로 f 는 2 대 1을 의미합니다.f(x)=f(x+s)x2=0f

고전 또는 양자 컴퓨터에서, 각 옵션이 (1 대 1의 경우)이 속성을 만족하는 균일 한 임의의 1 대 1 기능과이 특성을 만족하는 균일 한 임의의 2 대 1 기능을 구별하는 규정 된 성공 확률에 대한 비용은 얼마입니까? -1 또는 2-to-1) 확률이 같습니까?

즉, 나는 비밀리에 동전을 공정하게 뒤집습니다. 머리를 얻으면 균일 한 임의의 일대일 함수 대한 블랙 박스 (클래식 또는 양자, 각주) 회로를 건네지 만 꼬리를 얻으면 균일 한 임의의 2- 대에 블랙 박스 회로를 건네줍니다. -1 기능 f . 얼마나 당신은 성공의 규정 확률을 얻기 위해 지불해야 할 P 내가 머리 또는 꼬리를 가지고 있는지 말하는을?ffp

이것은 Simon의 알고리즘 시나리오입니다 . 그것은에서 비의 응용 프로그램이 무의미한 암호 해독을 , * 그리고 쇼어 알고리즘의 복잡성 클래스 BQP와 BPP 이른 영감을 연구의 초기 악기였다.

Simon은 O ( n + | f | ) 큐 비트의 비용 과 성공 1 근처의 확률에 대해 O ( n T f ( n ) + G ( n ) )의 비용이 드는 양자 알고리즘 (§3.1, p. 7)을 제시했습니다 . T f ( n ) 은 크기 n 의 입력에서 f 값의 중첩 을 계산하는 시간 이며 여기서 G ( n )O(n+|f|)O(nTf(n)+G(n))Tf(n)fnG(n)F 2 n × n 선형 방정식 시스템.n×nF2

시몬 상기 스케치 증명 고전 알고리즘을 평가하는 것이 (. 정리 3.1 P 9) 이하에 2 N / 4 별개의 분리 보다 더 유리하게 경화를 추측 할 수있는 값 2 - N / 2 , 균일 랜덤 추측 오버.f2n/42n/2

어떤 의미에서,이 긍정적으로 귀하의 질문에 대답하십시오 요구하는 양자 계산 선형 A의 임의 기능의 평가의 수 양자 중첩 의 입력이 필요로하는 고전적인 계산보다 훨씬 더 성공 확률을 얻을 수 지수 에 임의의 기능 평가의 수 분리를 입력 의 크기로 입력. 그 동안 그가 될 수 있기 때문에 또 다른 의미에서 그것은 전혀 귀하의 질문에 대답하지 않는 모든 특정 기능 검색을 계산하는 빠른 방법이있다.f

독일어 - Jozsa 알고리즘은 독자들에게 연습 문제로 남겨있는 세부 사항을 파악, 다른 복잡성 클래스, P 및 EQP을 연구하는 약간 다른 인공의 문제에 대한 유사한 그림의 역할을한다.


* Simon 's는 암호 해독에 무의미합니다. 상상할 수 없을 정도로 혼란스러운 바보 만이 적의 양자 회로에 비밀 키를 입력하여 양자의 입력 중첩에 사용할 수 있지만 어떤 이유로 누군가 Simon의 알고리즘을 사용하여 새로운 논문을 출판 할 때마다 스플래시가 발생하기 때문입니다. 가상 하드웨어로 바보의 열쇠를 깰 수 있습니다.이 모든 공격이 작동하는 방식입니다. 예외 : 이로 인해 화이트 박스 암호화 가 깨질 수도 있지만, 기존의 적들에 대한 화이트 박스 암호화의 보안 이야기는 유망하지 않습니다.


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흥미로운 답변에 감사드립니다. 이것이 라는 증거가 아닌 이유에 대해 확장 할 수 있습니까 ? 나는 그 대답이 "정규적인" 것과는 정반대로 oracular 분리를 보여주는 것이라 생각 하지만, 나는이 주제들에서 실제로 말할만큼 정통하지는 않다. 이것에 대한 간단한 토론이 답을 향상시킬 것이라고 생각합니다. BQPBPP
glS

@ glS 나는 차이점의 요점을 잘라야한다고 생각하는 문장을 추가했습니다. 도움이 되나요?
스퀴 미시 Ossifrage

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이것이 당신이 찾고있는 것인지 확실하지 않습니다. 그리고 나는 이것을 "지수"로 인정할 수 있는지 모른다. 또한 양자 병렬 장치에서 더 적은 리소스를 사용하는 '2D 숨겨진 선형 함수 문제'클래스를 제시했습니다.

논문은 여기 arxiv 에 있지만 간단한 요약입니다. 양자 장점은 병렬 회로의 깊이에 있기 때문에 문제가있는 팬-인으로 스레드를 분할 할 수있는 스레드 수입니다. 문제는 행렬 A 와 입력 벡터 b 가 주어지며, 이차 형태 q 와 그 형태에 대한 특수한 부분 공간을 정의 할 수 있습니다 . "숨겨진 선형 함수 문제"의 목표는 특수한 부분 공간에서 이차 함수에 대한 선형화를 찾는 것입니다.N×NAbq

고전 probablistic 회로가 ~로 제한되어 당신이 당신의 계산이 확률로 성공하려면, 깊이 > (7) / 8 (당신은 아마 적어도이 확률로 성공하려면). 양자 회로는 일정한 깊이로 그것을 할 수 있으므로 크게 개선됩니다.logN>7/8

증명은 본질적으로 고전적인 회로로는 시뮬레이션하기 어려운 특정 그래프 상태에 해당하며,이 하위 결과는 약간 일찍 입증되었습니다 . 그런 다음이 논문의 나머지 부분에는 더 많은 종류의 문제가이 어려운 문제를 포함하고 있음을 보여줍니다.


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기존 컴퓨터에서 효율적으로 해결할 수있는 복잡한 의사 결정 문제를 BPP 라고합니다 (또는 임의성을 허용하지 않는 경우 P 이지만 어쨌든 같은 것으로 의심됩니다). 양자 컴퓨터에서 효율적으로 해결할 수있는 문제 클래스를 BQP 라고 합니다. 양자 컴퓨터가 기하 급수적으로 속도를 올리는 문제가있는 경우 이는 BPP BQP 임을 의미합니다 . 그러나 BQPBPP 질문은 이론적 컴퓨터 과학에서 중요한 공개 질문이므로 그러한 문제는 존재하지 않는 것으로 입증되었습니다 (그리고 하나를 찾으면 모든 종류의 상을 확실히 얻을 수 있습니다).

반면에 다른 답변에서 언급 했듯이 Simon의 알고리즘 과 같이 BPPOBQPO 라는 블랙 박스 ( "oracle") 문제가 있습니다. 이것은 증거는 아니지만 실제 세계에서 BPP BQP 라는 증거를 제공합니다 .


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좋은 답변, 감사합니다. 나는 질문의 결정 문제로 나 자신을 제한하지 않았다. 예를 들어 샘플링 문제와 같이 다른 종류의 문제를 고려할 때 어떤 일이 발생하는지 언급 할 수 있습니까? 또한 BPPBQP의 oracular equiequience가 BPP BQP "실제 세계"에 대한 증거를 제공 하는 이유를 조금 더 확장 할 수 있습니까?
glS

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공식적인 증거를 제공 할 수는 없지만, 양자 시스템의 (시간적 진화) 시뮬레이션은 그러한 경우로 여겨집니다. 지수 컴퓨터보다이 방법을 고전 컴퓨터에서 수행하는 더 좋은 방법은 없지만 양자 컴퓨터는 사소하게 다항식 시간에 그것을하십시오.

이러한 양자 시뮬레이터 ( wikipedia article 참조 ) 의 아이디어는 실제로 양자 컴퓨터가 처음 제안 된 방법입니다.

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