The complexity of simulating local measurements on quantum systems
量子物理中的一个重要任务是估计定域哈密顿量的基态的定域量。最近,[Ambainis,CCC 2014]定义了复杂性类P^QMA[log],并通过表明估计局部观测值相对于局部哈密顿量的基态的期望值的物理任务是P^QMA[log]-完全来激发其研究。在本文中,我们继续研究P^QMA[log],得到以下下限和上限。下界(硬度结果):(1)[Ambainis,CCC 2014]的P^QMA[log]-完备性结果需要O(log n)-局部可观量和Hamilton。我们表明,即使是一个单一的量子比特测量模拟的基态的5-本地哈密顿是P^QMA[log]-完成,解决了一个悬而未决的问题Ambainis。(2)我们正式的复杂性理论研究估计两点关联函数对基态,并表明,这项任务是类似的P^QMA[log]-完成。(3)我们发现了[Ambainis,CCC 2014]中关于估计局部Hamilton谱隙的P^UQMA[log]-硬度证明的缺陷。通过引入“查询验证”技术,我们建立在[Ambainis,CCC 2014]上,以获得用于在多项式时间图灵约简下估计谱隙的P^UQMA[log]-硬度。上界(复杂性类中的包含):P^QMA[log]被认为比QMA“稍微难一些”。我们证明这正式利用分级投票技术[Beigel,Hemachandra,Wechsung,SCT 1989]显示P^QMA[log]是PP。这改善…
2020-04-07 cond-mat.str-el cs.CC quant-ph
A Note on the Complexity of the Spectral Gap Problem
本文证明了谱隙问题在多一归约下是 QMA 困难的,从而得出其在真值表归约下是 $P^{QMA[log]}$ 完全的,并推测其在多一归约下属于更严格的子类。
2025-03-04 cs.CC quant-ph
Zero-knowledge proof systems for QMA
先前的工作已经确定,NP中的所有问题都承认经典的零知识证明系统,并且在量子计算的合理硬度假设下,这些证明系统可以安全地抵御量子攻击。我们证明了一个结果,代表了这一事实的进一步量子推广,这是复杂性类QMA中的每个问题都有一个量子零知识证明系统。更具体地说,假设存在一个无条件绑定和量子计算隐藏的承诺计划,我们证明了复杂性类QMA中的每个问题都有一个量子交互证明系统,该系统对于有效的量子计算是零知识的。我们的QMA证明系统是健全的任意量子证明者,但只需要一个诚实的证明者执行多项式时间量子计算,只要它持有一个给定的QMA问题的实例正在考虑的量子证人。证明系统依赖于一个新的变体的QMA-完全本地哈密顿问题,其中的本地条款描述的克利福德操作和标准的基础测量。我们相信这个问题的QMA完备性在量子复杂性中可能有其他用途。
2016-04-11 cs.CR quant-ph
On QMA Protocols with Two Short Quantum Proofs
本文给出了一个3-SAT的QMA(Quantum Merlin-Arthur)协议,该协议具有两个不纠缠的量子证明,使得完备性和可靠性之间的距离为Omega(1/n polylog(n)).这改善了在此设置中已知的NP完全问题的最佳完整性/可靠性差距。
2012-04-16 cs.CC quant-ph
The Power of Unentanglement
由Kobayashi等人引入的类QMA(k),由所有可以使用k个非纠缠量子证明验证的语言组成。关于这门课的许多最简单的问题仍然悬而未决:例如,我们能给出任何证据证明k个量子证明比1个更强大吗?QMA(k)=QMA(2),k>=2吗?QMA(k)协议可以被放大到指数级小误差吗?本文在上述问题上都取得了进展。首先,我们给出了一个协议,通过该协议,验证者可以确信一个大小为n的3SAT公式是可满足的,并且具有常数可靠性,给定~O(sqrt(n))个无纠缠的量子见证人,每个见证人具有O(log n)个量子比特.我们的协议依赖于非常短的PCP的存在。其次,我们证明了假设量子信息理论中的加性猜想的一个弱版本,任何QMA(2)协议都可以被放大到指数级小误差,并且对于所有k>=2,QMA(k)=QMA(2)。第三,我们证明了不存在“完美的解缠器”模拟多个梅林与一个。
2008-11-16 quant-ph
Pointer Quantum PCPs and Multi-Prover Games
量子PCP(QPCP)猜想指出,NP的量子类似物QMA中的所有问题都允许量子验证器只作用于多项式大小的量子证明的恒定数量的量子位,并且在完整性和可靠性之间存在恒定的差距。尽管有大量的工作试图证明或反驳量子PCP猜想,但它仍然广泛开放。上述证明验证语句也已被证明等价于具有常数相对间隙的局部哈密顿问题的QMA-完备性。然而,与经典的情况下,没有等价的制定语言的多证明者游戏是已知的。在这项工作中,我们提出了一种新型的量子证明系统,指针QPCP,其中验证者首先访问一个经典的证明,他可以使用作为一个指针,从量子部分的证明访问量子位。我们定义了指针QPCP猜想,即QMA中的所有问题都允许量子验证器首先从多项式大小证明的经典部分访问对数数量的比特,然后从证明的量子部分作用于恒定数量的量子比特,并且在完整性和可靠性之间存在恒定的差距。我们定义了一个新的QMA完全问题,设置本地哈密顿问题,和一个新的限制类的量子多证明游戏,称为CRESP游戏。我们用它们来提供另外两个等价的声明,指针QPCP猜想:设置本地哈密顿问题与恒定的相对差距是QMA-完全的;和近似的CRESP游戏的最大接受概率的一个常数的附加因子是硬QMA。这是量子PCP陈述和量子多证明者博弈的不可近似性之间的第一个等价性。
2016-03-02 cs.CC quant-ph
The Power of Unentangled Quantum Proofs with Non-negative Amplitudes
本文研究非负振幅、非纠缠双量子证明模型 QMA^+(2),通过全局相干验证协议与 NEXP 的 PCP 显式化,证明 QMA^+(2)=NEXP,并给出 QMA(2)=NEXP 的条件。
2024-02-29 cs.CC quant-ph
Low-degree testing for quantum states, and a quantum entangled games PCP for QMA
我们表明,给出一个明确的描述的多人游戏,一个经典的验证者和一个恒定数量的球员,这是QMA困难的,随机减少,区分的情况下,当球员有一个策略使用纠缠成功的概率为1的游戏,或当没有这样的策略成功的概率大于1/2。这证明了Fitzsimons和第二作者(ITCS'15)的“游戏量子PCP猜想”,尽管是在随机化约简下。在我们的减少的核心组成部分是一个家庭的两个球员的游戏测试$n$ -量子比特最大纠缠态的建设。对于任何整数$n\geq2$,我们给出了一个测试,其中验证者的问题是$O(\log n)$位长,答案是$\mathrm{poly}(\log\log n)$位长。我们表明,对于任何常数$\varepsilon\geq0$,任何策略,成功的概率至少$1-\varepsilon$在测试中必须使用一个状态,是在距离$O(\varepsilon^c)$从一个状态,是本地等价于一个最大纠缠态的$n$量子比特,对于一些通用常数$c>0$。该构造基于Raz和Safra(STOC'97)的多元低次多项式的经典平面对点检验。我们扩展到量子制度的经典测试,通过执行独立的副本的测试在广义泡利$X$和$Z$基地超过$\mathbb{F}_q$,其中$q$是一个足够大的素数的权力,并结合两者通过测试泡利扭曲的对易关系。我们的主要复杂性理论的结果是通过结合这个家庭的游戏与本-萨森等人(CCC'05)介绍的邻近的PC…
2018-04-09 quant-ph
A QMA-Complete Translationally Invariant Hamiltonian Problem and the Complexity of Finding Ground State Energies in Physical Systems
在这里,我们提出了一个问题有关的局部哈密顿问题(确定是否基态能量属于两个范围之一),这是限制为不变性。我们证明了对于具有固定的局部维数和O(\log(N))-体局部项的问题,或具有局部维数N和2-体项的问题,存在问题是QMA-完全的例子.我们讨论的计算复杂性,找到这些系统的基态的影响,因此,任何经典的近似技术,可以适用于包括DMRG,矩阵乘积状态和MERA。一个重要的例子是在恒定填充分数下最近邻跳跃的玻色子的一维晶格,即玻色-哈伯德模型的推广。
2007-05-29 cond-mat.str-el quant-ph
Near-Optimal Gap Amplification for Nonnegative Unentangled Quantum Proofs
University of Tsukuba(筑波大学)
本文针对非负无纠缠量子证明类QMA⁺(2),证明了近最优间隙放大结果,揭示其复杂度相变,结合对称子空间投影与德芬蒂定理完成证明,为量子复杂度理论提供关键进展。
2026-08-11 cs.CC quant-ph
QMA variants with polynomially many provers
我们研究了三个变种的多证明量子梅林-阿瑟证明系统。我们首先表明,一类问题,可以有效地验证使用多项式许多量子证明,每一个量子大小,正是MQA(也称为QCMA),一类问题,可以有效地验证通过一个经典的证明和量子验证。然后,我们研究类BellQMA(聚),其特征在于验证谁首先适用于非纠缠,非自适应测量的多项式的许多证明,随后由任意的,但有效的量子验证电路上产生的测量结果。我们表明,如果每个非自适应测量的结果的数量是一个多项式有界的函数,那么证明系统的表达能力正是QMA。最后,我们研究了一个等价于QMA(m)的类,表示为SepQMA(m),其中验证者的测量算子对应于结果“接受”是一个完全可分离的算子跨越m个量子证明。利用锥规划对偶,我们给出了一个结果的哈罗和Montanaro [FOCS,第二页。633- 642(2010)],其示出了对于任何m的SepQMA(m)的完美平行重复定理。
2012-09-01 cs.CC quant-ph
Improved Soundness for QMA with Multiple Provers
我们提出了三个贡献的理解QMA与多个证明:1)我们给出了严格的可靠性分析的协议[Blier和Tapp,ICQNM '09],产生可靠性差距Ω(1/N^2)。我们的改进是在不使用具有恒定可靠性间隙的实例的情况下实现的(即,不使用PCP)。2)我们给出了[Chen和Drucker,ArXiV '10]的协议的严格可靠性分析,从而将他们的结果从需要Theta(sqrt(N))证明器以便具有任何可靠性间隙的单片协议改进为具有证明器数量k和可靠性间隙Omega(k^2/N)之间的平滑权衡的协议,只要k>=Omega(log N)。(And当k=Theta(sqrt(N))时,我们恢复了Chen和Drucker的原始参数。3)我们朝着[Aaronson等人,ToC '09]关于什么样的NP完全问题适合于次线性多证明器QMA协议,通过观察可以很容易地从PCP文献中已经存在的结果中导出一大类这样的例子-即,至少是在准线性时间内由非确定性RAM识别的语言。
2013-01-31 cs.CC quant-ph
Epsilon-net method for optimizations over separable states
我们给出了优化问题的算法:$\max_ρ\ip{Q}ρ$,其中$Q$是一个厄米矩阵,变量$ρ$是一个二分{ \em可分}量子态。这个问题是量子计算和信息中几个问题的核心,例如QMA的复杂性。虽然这个问题是NP难的,但我们的算法在几个感兴趣的实例中比蛮力更好。特别是,他们给出了承诺问题的PSPACE上界,该承诺问题允许QMA(2)协议,其中验证者在两个证明上仅执行对数数量的基本门,以及决定二分局部哈密顿量是否具有大或小的基态能量的承诺问题。对于$Q\ge0$,我们的算法在$\|Q\|_F$中按时间指数运行。虽然这种算法的存在性最近由Brand{ \em Proceedings of the 43 rd annual ACM Symposium on Theory of Computation},343- 352,2011年首次证明,但我们的算法在概念上更简单。
2011-12-04 quant-ph
On the Pure Quantum Polynomial Hierarchy and Quantified Hamiltonian Complexity
本文证明了纯量子多项式层级的新包含关系、误差约简及与QPH的等价性,并首次研究量化哈密顿量复杂性,证明量化纯稀疏哈密顿量问题是pureQSigma完全的。
2025-10-07 cs.CC quant-ph
Statistical Zero Knowledge and quantum one-way functions
单向函数是经典密码学中一个非常重要的概念。然而,这些函数的大多数例子,包括因子分解、离散对数或RSA函数,都可以在量子计算机的帮助下进行反演。在本文中,我们研究了单向函数,很难逆转,甚至由量子对手,并描述了一组问题,这是很好的候选人。这些问题包括图的非同构、近似最近格向量和群的非成员性。更一般地说,我们表明,电路量子采样的任何硬的情况下产生一个量子单向函数。通过Aharonov和Ta-Shma的工作,这意味着任何统计零知识中的语言,对于量子计算机来说,平均来说都是困难的,都会导致量子单向函数。此外,将Impagliazzo和Luby的结果推广到量子情形,证明了量子分布单向函数与量子单向函数是等价的。最后,我们探索量子单向函数和复杂性类QMA之间的联系,并表明,类似于经典的情况下,如果任何上述候选问题是QMA-完全的,那么量子单向函数的存在导致QMA和AvgBQP的分离。
2007-03-06 quant-ph
Quantum Interactive Oracle Proofs
Weizmann Institute of Science(魏茨曼科学研究所)
本文提出量子交互式 oracle 证明(qIOPs)的两种无条件构造,探讨了QMA的验证复杂性与通信复杂性之间的关系。
2026-01-19 cs.CC quant-ph
Testing product states, quantum Merlin-Arthur games and tensor optimisation
我们给出了一个能有效区分n个量子系统的乘积态和远离乘积态的检验。如果应用于状态psi,其与产品状态的最大重叠是1-Theta,则测试通过的概率为1-Theta(Theta),无论n或单个系统的局部维数如何。测试使用两份psi。我们证明了这个测试的正确性作为一个特殊的情况下,更一般的结果,关于稳定的最大输出纯度的去极化通道。该测试的一个关键应用是多个Merlin的量子Merlin-Arthur博弈,在那里我们得到了几个先前已经证明的结构结果,包括有效的可靠性放大是可能的,两个Merlin可以模拟许多Merlin:QMA(k)=QMA(2),k>=2。基于Aaronson等人先前的结果,这意味着存在一种有效的量子算法来验证具有恒定可靠性的3-SAT,给出了O(sqrt(n)polylog(n))量子位的两个非纠缠证明。我们还展示了QMA(2)如何与对数大小的证明等价于大量的问题,一些与量子信息有关(如测试混合态的可分性),以及与量子力学没有任何明显联系的问题(如计算3-指标张量的内射张量范数)。因此,我们得到了许多近似的硬度的结果,以及潜在的算法应用的方法近似QMA(2)的接受概率。最后,我们的测试也可以用来构建一个有效的测试,以确定一个酉算子是否是一个张量积,这是一个推广的经典线性测试。
2012-11-04 quant-ph
A quantum characterization of NP
在本文中,我们引入了一个新的复杂性类PQMA_log(2)。非正式地,这是一类语言,其成员资格具有完美完整性和可靠性的量子证明,在验证者提供两个未纠缠部分的证明的上下文中多项式接近1。然后我们证明了PQMA_log(2)= NP。要做到这一点,重要的是,在定义类时,不要给验证者太多的权力。与QMA_log = BQP的事实相比,这一结果使我们对量子信息的力量和纠缠的影响有了新的认识。
2010-11-11 quant-ph
Lower Bounds for Unitary Property Testing with Proofs and Advice
本文提出利用酉信道甄别的新技术,证明酉性质测试的量子查询复杂度下界,适用于带量子证明和建议的测试器,并去除对数因子,推论出量子预言机下QMA(2)不包含SBQP。
2025-04-17 cs.CC quant-ph
On the Complexity of Finding Decoherence Free Subspaces
Center for Quantum Information and Control, University of New Mexico(新墨西哥大学量子信息与控制中心);Department of Physics and Astronomy, University of New Mexico(新墨西哥大学物理与天文学系)
本文研究开放量子系统是否存在无退相干子空间的判定复杂性,通过引入k-局域Lindbladian问题,证明当k≥5时该问题对QMA困难,表明此判定对量子计算也难解。
2026-09-23 cs.CC math-ph math.MP
On quantum interactive proofs with short messages
本文证明了Beigi等人在arXiv:1004.0411v2中提出的一个公开问题。我们考虑量子交互式证明系统,其中在开始的验证者和证明者发送消息给对方,所有消息的组合长度最多为对数(在输入长度),并在结束时,证明者发送多项式长度的消息给验证者。我们表明,这个类具有相同的表达能力QMA。
2011-09-05 cs.CC quant-ph
On the Satisfiability of Quantum Circuits of Small Treewidth
近三十年来,人们已经知道,许多$\mathrm{NP}$困难的优化问题可以在多项式时间内解决时,限制到结构的恒定树宽。在这项工作中,我们提供了这样的结果的量子设置的第一个扩展。我们表明,给定一个量子电路$C$与$n$未初始化的输入,$\mathit{poly}(n)$门,和树宽$t$,可以在时间计算$(\frac{n}δ)^{\exp(O(t))}$一个经典的分配$y\in \{0,1\}^n$,最大限度地提高$C$的接受概率的$δ$添加剂因子。特别是,我们的算法运行在多项式时间,如果$t$是常数和$1/poly(n) < δ< 1$。对于$t$的无限制值,已知该问题对于复杂性类$\mathrm{QCMA}$(MA的量子推广)是完全的。相比之下,我们表明,同样的问题是$\mathrm{NP}$ -完整的,如果$t=O(\log n)$,即使当$δ$是恒定的。另一方面,我们证明了给定一个$n$输入量子电路$C$的树宽为$t=O(\log n)$,而$δ<1/2$为常数,则确定是否存在一个量子态$\mid\!φ\rangle \in (\mathbb{C}^d)^{\otimes n}$使得$C\mid\!φ\rangle$的接受概率大于$1-δ$,或者对于每个这样的态$\mid\!φ\rangle$,$C\mid\!φ\rangle$的接受概率小于$δ$是$\mathrm{QMA}$…
2016-02-07 cs.CC quant-ph
No-Cloning Theorem on Quantum Logics
本文用逻辑代数方法讨论了不可克隆定理。在这种方法中,正交代数被认为是物理理论中命题的一般结构。证明了一个正交代数允许克隆运算当且仅当它是一个布尔代数。也就是说,只有经典理论才允许克隆状态。如果unsharp命题是包括在理论中,然后一个概念的影响代数被认为是。证明了允许克隆操作的原子阿基米德效应代数是布尔代数。本文还给出了一个部分结果,表明了效应代数上的克隆与隐变量之间的关系。
2009-09-04 quant-ph
The Feynman-Kitaev computer's clock: bias, gaps, idling and pulse tuning
本文给出了费曼计算机构造和Kitaev局部哈密顿问题中关于钟的一系列结果。首先,通过分析具有不同端点项的线上的量子行走的谱,我们发现Feynman哈密顿量的间隙的更好的下界,这转化为对QMA完全局部哈密顿量问题的不太严格的承诺间隙要求。我们也将这个结果翻译成绝热量子计算的语言。其次,引入一个空闲的时钟结构,具有大的状态空间,但快速Cesaro混合,我们提供了一种方法,用于实现任意高的成功概率计算与费曼的计算机,只有对数增加的时钟量子比特的数量。最后,我们调整,从而提高成本(局部性,间隙缩放)实现一个(脉冲)时钟与一个单一的激励。
2018-07-04 quant-ph
Any theory that admits a Wigner's Friend type multi-agent paradox is logically contextual
本研究证明任何允许维格纳朋友型多智能体悖论的理论必然具有逻辑情境性,并揭示量子弗劳希格-伦纳悖论为逻辑情境性证明,同时构建了无需贝尔非局域性的新悖论。
2025-10-07 quant-ph
The Complexity of Translationally Invariant Problems beyond Ground State Energies
本文证明平移不变的 APX-SIM 和 GSCON 问题仍分别是 P^{QMA_EXP}-完全和 QCMA_EXP}-完全的,通过提出保持结构性质的通用提升定理,并利用答案压缩和抗非局部酉的鲁棒构造实现困难性证明。
2020-12-23 cond-mat.str-el cs.CC math-ph
Multi-Prover Quantum Merlin-Arthur Proof Systems with Small Gap
研究了完备性-可靠性间隙较小时的多重证明量子Merlin-Arthur(QMA)证明系统。小意味着我们只使用输入长度的反指数函数或更小的函数来下界间隙。使用Blier和Tapp [arXiv:0709.0738]的协议,我们证明了在这种情况下,证明系统具有与非确定性指数时间(NEXP)相同的表达能力。由于单证明的QMA证明系统,具有相同的限制的差距,有表现力在最指数时间(EXP),我们得到了一个分离的单和多证明者证明系统在“小间隙设置”,假设EXP不等于NEXP。这意味着,除其他外,不存在某些被称为解缠器的算子(由Aaronson等人定义[arXiv:0804.0802]),具有良好的近似参数。我们还表明,在这种设置的证明系统具有相同的表达能力,如果我们限制验证者只能执行贝尔测量,即,使用BellQMA验证器。当间隙由输入长度的逆多项式函数限定时,这在通常的设置中是不存在的。为了证明这一点,我们使用Chen和Drucker的协议[arXiv:1011.0716]。这里唯一需要注意的是,我们至少需要线性数量的证明来实现NEXP的功能,而在前面的设置中,两个证明就足够了。我们还研究了证明长度在输入长度中仅为对数的情况,并观察到在某些情况下表达能力下降。然而,我们表明,它不会进一步减少,如果我们使证明长度更短。
2012-05-12 cs.CC quant-ph
Complete Modified Logarithmic Sobolev inequality for sub-Laplacian on $SU(2)$
证明了$SU(2)$上的正则次拉普拉斯算子对所有矩阵值函数都存在一致的修正log-Sobolev不等式,且与矩阵维数无关.这是第一个得到矩阵值修正log-Sobolev不等式的次拉普拉斯不等式的例子。我们还表明,李群上,热核措施$p_t$在时间$t$承认矩阵值修改的log-Sobolev常数的顺序$O(t^{-1})$。
2022-05-19 math.AP math.FA quant-ph
Position: The Inevitable Transition to Machine Learning in Quantum Chemistry
Institute of Chemistry, Academia Sinica, Taipei, Taiwan(中国科学院化学研究所)
量子多体问题精确解计算难,传统方法发展遇瓶颈,机器学习被认为是量子化学最有前途的方向,它不受问题本质限制,近期传统方法可视为“手工制作机器学习”,虽有挑战但有路径,应获战略优先。
2026-08-12 cs.LG physics.chem-ph quant-ph