The layer complexity of Arthur-Merlin-like communication
在通信复杂性中,阿瑟-梅林(AM)模型是最自然的模型,它既允许随机性又允许非确定性。目前,我们没有任何超对数下限的AM复杂性的显式函数。获得这样一个界限是对我们理解通信现象的一个根本挑战。在本文中,我们将探讨已知技术和复杂性类AM之间的差距。在第一部分中,我们定义了一个新的自然类,小优势分层亚瑟-梅林(SLAM),它具有以下属性:- SLAM是(严格)包括在AM和包括所有以前已知的子类AM与非平凡的下限。- SLAM在质量上比这些类的联合更强大。- SLAM是一个矛盾的约束:特别是,内积函数没有一个有效的SLAM协议。在结构上,这可以总结为SBP $\cup$ UAM $\subset$ SLAM $\subseteq$ AM $\cap$ PP。在第二部分中,我们问为什么证明一个显式函数的MA-复杂性的$ω(\sqrt n)$的下界似乎是困难的。这两个结果都与层复杂度的概念有关,非正式地说,层复杂度是协议使用的“非确定性层”的数量。
2021-12-24 cs.CC
Quantum Arthur-Merlin with single-qubit measurements
我们表明,类QAM不会改变,即使验证的能力仅限于单量子比特测量。为了展示结果,我们使用了基于测量的量子计算的思想:只能进行单量子比特测量的验证者可以测试来自证明者的图状态,并将其用于他的基于测量的量子计算。我们还介绍了一个新的QMA完全问题有关的稳定剂测试。
2016-02-28 cs.CC quant-ph
Merlin-Arthur with efficient quantum Merlin and quantum supremacy for the second level of the Fourier hierarchy
我们引入了一个简单的亚通用量子计算模型,我们称之为Hadamard经典单量子比特电路(HC 1 Q)模型。它由一个经典的可逆电路夹在两层阿达玛门,因此它是在傅立叶层次的第二层。我们表明,HC 1 Q模型的输出概率分布不能经典有效地采样内的乘法误差,除非多项式时间层次崩溃到第二个层次。这种证明技术与以前的次普适模型(如IQP、玻色子采样和DQC 1)不同,因此这种技术本身可能有助于寻找其他难以经典模拟的次普适模型。我们还研究了量子计算在傅立叶层次第二层的经典验证。为此,我们定义了一个承诺的问题,我们称之为概率分布的可扩展性与最大范数(PDD-Max)。判断两个量子线路的输出概率分布是相距很远还是很近是一个很有前途的问题。我们证明了PDD-Max是BQP-完备的,但如果两个电路被限制在傅立叶层次的第二层中的某些类型,如HC 1 Q模型或IQP模型,则PDD-Max具有量子多项式时间Merlin和经典概率多项式时间Arthur的Merlin-Arthur系统.
2018-11-12 cs.CC quant-ph
A short note on Merlin-Arthur protocols for subset sum
在子集和问题中,我们给定n个正整数和一个目标整数t。一个解就是这些整数之和为t的子集。在这个简短的说明中,我们表明,对于一个给定的子集和实例,有一个证明的大小$O^*(\sqrt{t})$的解决方案的数量是什么,可以在$O^*(t)$时间构造,并可以在时间概率验证$O^*(\sqrt{t})$与最恒定的错误概率。这里,$O^*()$表示法省略了输入大小$n\log(t)$中的多项式因子。
2016-02-04 cs.CC cs.DS
Quantum Merlin-Arthur and proofs without relative phase
本研究探讨无相对相位量子证明的QMA变体QMA+,证明其在不同常数间隙下分别等于NEXP和QMA,揭示相对相位在欺骗能力中的关键作用。
2023-06-23 cs.CC quant-ph
Classical and quantum Merlin-Arthur automata
本文提出梅林-亚瑟自动机模型,研究不同证书长度下经典与量子变体的识别能力,证明其可识别正则语言及若干非随机语言,并验证一元和二元语言。
2024-07-17 cs.CC cs.FL quant-ph
An exponential time upper bound for Quantum Merlin-Arthur games with unentangled provers
我们证明了一个确定性的指数时间上界量子梅林-阿瑟游戏与k unentangled证明。这是QMA(k)优于NEXP的第一个非平凡上限,并且可以被认为是指数改进,除非EXP=NEXP。我们证明的关键思想是利用扰动理论将QMA(2)-完全可分稀疏哈密顿问题约化为具有指数小承诺间隙的可分局部哈密顿问题的一个变体,然后使用ε-网方法来判定该实例。我们的结果暗示了量子化学中纯态N-可表示性问题的指数时间算法,该算法在QMA(2)中,但不知道是否在QMA中。我们还讨论了我们的结果对最佳可分状态问题的影响。
2016-11-28 cs.CC quant-ph
Quantum Merlin-Arthur with an internally separable proof
本文提出 QMA 的内部可分离证明变体,证明单证明严格弱于双无纠缠证明,并为 QMA(2)=NEXP 提供克服既有缺陷的新路径。
2024-10-24 cs.CC quant-ph
Arthur-Merlin Streaming Complexity
我们研究了亚瑟-梅林概率证明系统在数据流模型中的能力。我们展示了一个典型的$\mathcal{AM}$流算法的数据流问题的广泛的一类。该算法在证明长度和空间复杂度之间进行了折衷,并给出了一个求解\emph{Distinct Elements}问题的$\mathcal{AM}$流算法。给定长度为$m$的数据流在大小为$n$的字母表上,该算法使用$\tilde O(s)$空间和大小为$\tilde O(w)$的证明,对于每个$s,w$,使得$s \cdot w \ge n$(其中$\tilde O$隐藏$\polylog(m,n)$因子)。我们还证明了一个下界,表明每个$\mathcal{MA}$流算法的\emph{Distinct Elements}问题,使用$s$位的空间和大小$w$的证明,满足$s \cdot w = Ω(n)$。作为\emph{Distinct Elements}问题下界证明的一部分,我们给出了关于\emph{Gap Hamming Distance}问题的$\mathcal{MA}$通信复杂度的$Ω(\sqrt n)$的一个新下界,并证明了它的紧性.
2013-02-02 cs.CC cs.DS
Near-Maximum Circuit Lower Bounds for Exponential Time with Merlin-Arthur Queries
Institute for Advanced Study(高等研究院);MIT(麻省理工学院)
本文通过结合迭代双赢范式、范围回避问题还原和PCP定理,证明了指数时间与Merlin-Arthur查询的复杂性类的近最大电路下界。
2026-07-14 cs.CC
Rational-Valued Affine Verifiers in Arthur--Merlin Proof Systems
Zhejiang University(浙江大学)
本文研究了在限制仿射转移矩阵具有有理数条目的情况下,单向和双向仿射自动机作为Arthur-Merlin证明系统的验证器,展示了其在验证非正则语言和所有可识别语言中的优势。
2026-05-01 cs.CC cs.FL
On Arthur Merlin Games in Communication Complexity
我们展示了与通信复杂性的交互式证明模式相关的几个结果。首先,我们显示的QMA-通信复杂性的功能内积和不相交的下界。我们描述了一个一般的方法来证明下界QMA-通信复杂性,并显示如何可以“转移”硬度下一个类似的措施,在查询复杂性模型的通信模型使用Sherstov的模式矩阵方法。结合Vereshchagin的一个结果和模式矩阵方法,我们找到了一个AM-通信复杂性度$O(\log n)$,PP-通信复杂性度$Ω(n^{1/3})$,QMA-通信复杂性度$Ω(n^{1/6})$的通信问题.因此,在通信复杂性的世界中,非交互式量子证明系统不能有效地模拟协同非决定性或交互。这些结果意味着图灵机复杂性理论中的相关问题不能通过“代数化”技术来解决。最后,我们证明了在MA协议中,单向协议和双向协议之间存在指数差距(这是指Alice和Bob之间的交互)。这与非确定性、AM和QMA协议相反,在这些协议中,单向通信基本上是最佳的。
2011-01-03 cs.CC quant-ph
The Collapse of Unentangled Stoquastic Merlin-Arthur Proof Systems
University of Illinois, Urbana-Champaign(伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校)
研究通过证明无纠缠无法提升stoquastic Merlin-Arthur验证能力,揭示了干涉在检测纠缠中的作用,并提出正的de Finetti定理作为核心方法,最终将StoqMa(k)纳入AM∩PP⊆PSPACE。
2026-10-01 cs.CC quant-ph
Merlin-Arthur Games and Stoquastic Complexity
MA是一类决策问题,其中“是”实例具有可以通过经典随机算法有效检查的证明。我们证明了MA有一个自然的完全问题,我们称之为随机k-SAT问题。这是可满足性问题的矩阵值模拟,其中子句是具有非负矩阵元素的k量子比特投影仪,而令人满意的分配是属于这些投影仪所跨越的空间的向量。随机k-SAT是MA完全问题的第一个非平凡例子。我们还研究了quant-ph/0606140中引入的局部随机Hamilton算子的最小特征值问题,即随机LH-MIN,引入了一个新的复杂度类StoqMA,使得随机LH-MIN是StoqMA-完备的.最后,我们考虑的平均LH-MIN问题的局部随机哈密顿依赖于一个随机或“淬火无序”的参数,随机AV-LH-MIN。我们证明了随机AV-LH-MIN包含在复杂性类\AM,类的决策问题,是的实例有一个随机的交互式证明与证明者和验证者之间的双向通信。
2006-12-19 cs.CC quant-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
Quantum Merlin-Arthur proof systems for synthesizing quantum states
本文研究了NP类的态合成对应物stateQMA,探讨了在全能但不可信证明者辅助下量子验证者准备量子态的复杂性,并取得了误差缩减、与其他态合成类的关系及完美完备性等成果。
2025-03-22 cs.CC quant-ph
Classical Algorithms from Quantum and Arthur-Merlin Communication Protocols
从电路复杂性出发的多项式方法已被应用于几个基本问题,并获得了最先进的运行时间。正如在[Alman and Williams,STOC 2017]中所观察到的,多项式方法在算法设计中的几乎所有应用最终都依赖于与关键子程序相对应的计算矩阵的某些低秩分解。他们认为,直接使用低秩分解可以产生更强大的算法,因为多项式方法只是推导这种分解的一种方法。受他们的启发,本文研究了另一种系统地构造可用于算法的矩阵低秩分解的方法。已知各种类型的通信协议导致某些低秩分解(例如,$\mathsf{P}$协议/等级,$\mathsf{BQP}$协议/近似等级)。这些通常被解释为证明通信下界的方法,而在这项工作中,我们探索另一个方向。我们有通信协议的两个通用算法应用。第一个连接是,一个快速的$\mathsf{BQP}$通信协议的功能$f$意味着一个快速的确定性添加近似计数算法的相关对计数问题。第二个联系是,用于函数$f$的快速$\mathsf{AM}^{\mathsf{cc}}$协议意味着用于$f\textsf{-Satisfying-Pair}$的比蛮力算法更快的算法。我们还应用我们的第二个连接来阐明通信复杂性中长期存在的开放问题。我们证明了如果最长公共子序列问题允许一个有效的$\mathsf{AM}^{\mathsf{cc}}$协议,那么多项式大小的公式- $\textsf{SAT}$允许一个$2^{n -…
2018-11-19 cs.CC cs.DS
One-Sided Error QMA with Shared EPR Pairs -- A Simpler Proof
我们给出了Kobayashi,Le Gall和Nishimura [arXiv:1210.1290v2]的一个结果的简单证明,该结果表明任何QMA协议都可以转换为单侧错误协议,其中Arthur和Merlin最初共享常数数量的EPR对,然后Merlin将他的证明发送给Arthur。我们的协议是类似的,但比原来的更简单。我们的主要贡献是一个更简单,更直接的分析的合理性属性,使用众所周知的结果在量子信息,如属性的跟踪距离和保真度,和量子de Finetti定理。
2013-06-23 cs.CC quant-ph
AM with Multiple Merlins
我们介绍并研究了一种新的交互式证明模型:AM(k),或亚瑟-梅林与k个非通信梅林。与更著名的MIP不同,这里的假设是每个梅林都从亚瑟那里收到一个独立的随机挑战。这个模型的一个动机(我们将详细探讨)来自它与量子复杂性类QMA(k)之间的密切类比,但AM(k)模型本身也是自然的。我们通过给出3SAT的AM(2)协议来说明多个Merlin的能力,其中Merlin的挑战和响应每个仅由n^{1/2+o(1)}位组成。我们的协议的结果是,假设指数时间假设(ETH),任何用多项式大小的字母表近似密集CSP的算法必须花费n^{(log n)^{1-o(1)}}时间。几乎匹配这个下限的算法是已知的,但它们的运行时间以前从未被解释过。Brandao和Harrow最近也使用我们的3SAT协议来显示近似某些纠缠游戏的值的准多项式硬度。在另一个方向,我们给出了一个简单的准多项式时间近似算法的自由游戏,并使用它来证明,假设ETH,我们的3SAT协议是本质上最优的。更一般地说,我们表明,多个梅林从来没有提供超过一个多项式的优势:也就是说,AM(k)=AM的所有k=poly(n)。这一结果的关键是自由博弈的二次抽样定理,该定理来自于Alon等人和Barak等人关于二次抽样密集CSP的强大结果,该定理认为任何自由博弈的值都可以近似于一个随机大小的随机子博弈的值。
2014-01-27 cs.CC quant-ph
Time-Space Lower Bounds for Simulating Proof Systems with Quantum and Randomized Verifiers
Fortnow于1997年发起的一系列工作证明了$\mathsf{SAT}$问题和多项式时间层次内相关问题的模型独立时空下界。例如,对于$\mathsf{SAT}$问题,现有技术是,对于$c < 2\cos(\fracπ{7}) \approx 1.801$,该问题不能同时通过$n^c$时间和$n^{o(1)}$空间中的随机访问机来解决。我们将这种下界方法扩展到量子和随机域。结合Grover的算法与$\mathsf{SAT}$时空下界的组件,我们表明,在$O(n)$时间与量子Merlin-Arthur协议,不能解决的问题,同时在$n^c$时间和$n^{o(1)}$空间的超二次时间下界$c < \frac{3+\sqrt{3}}{2} \approx 2.366$。这个结果和以前的工作$\mathsf{SAT}$都可以被看作是一个更一般的公式对小空间算法的时间下限,其渐近性,我们研究的后果充分。我们还显示了对随机算法的下限:有问题可验证的$O(n)$时间与(经典)梅林-阿瑟协议,不能解决在$n^c$随机时间和$n^{o(1)}$空间同时为$c < 1.465$,改善迪尔的结果。对于量子Merlin-Arthur协议,该设置中的下限可以改进为$c < 1.5$。
2021-01-28 cs.CC
The Pursuit of Uniqueness: Extending Valiant-Vazirani Theorem to the Probabilistic and Quantum Settings
Valiant-Vazirani在1985年[VV 85]证明,在保证“是”的实例只有一个见证人的情况下解决NP问题足够强大,可以解决整个NP类(在随机约简下)。我们有兴趣将这个结果推广到量子环境。我们证明了类Merlin-Arthur MA和量子经典Merlin-Arthur QCMA的扩展。我们的研究结果的复杂性近似的基态能量的量子局域哈密顿与一个独特的基态和一个逆多项式谱间隙的影响。我们表明,估计(多项式精度内)的多缺口1-D本地哈密顿的基态能量是QCMA硬[AN 02],随机减少。这与NP [Has 07]中的常数间隙1-D Hamilton的情况形成鲜明对比。此外,它表明,除非QCMA可以减少到NP随机约化,有没有经典的描述的基态的每一个poly-gapped本地哈密顿量,允许有效计算的期望值。最后,我们讨论了几个障碍,建立一个类似的结果,类量子梅林亚瑟(QMA)。特别是,我们表明,随机预测未能提供两个证人之间的多项式差距。
2022-03-11 cs.CC quant-ph
Short and useful quantum proofs for sublogarithmic-space verifiers
本文研究 ω(1) 到 o(log n) 空间的量子 Merlin-Arthur 证明系统,构造问题族证明其在标准假设下优于经典验证和独立量子计算,且证明仅需次多项式长度。
2025-05-13 cs.CC
Quantum proofs can be verified using only single qubit measurements
QMA(Quantum Merlin Arthur)是一类问题,虽然可能很难解决,但有一个量子解决方案,可以使用量子计算机有效地验证。因此,它形成了经典复杂性类NP(及其概率变体MA,梅林-阿瑟博弈)的自然量子版本,其中验证者只有经典计算资源。在本文中,我们研究了当我们将验证者的量子资源限制到最低限度时会发生什么:一个接一个地对单个量子比特进行单独测量。我们发现,尽管有这种严重的限制,它仍然是可能的,以最小的量子资源,而不使用任何量子存储器或多量子比特操作的验证器,以健全的验证QMA中的任何问题。我们提供了两个独立的证明这一事实,基于测量的量子计算和本地哈密顿问题,分别。前一种结构也适用于QMA $_1$,即,有单侧误差的QMA。
2015-10-22 cs.CC quant-ph
PDQMA = DQMA = NEXP: QMA With Hidden Variables and Non-collapsing Measurements
本研究定义PDQMA类,证明其等于NEXP,并展示具有隐藏变量历史检查能力的QMA也等于NEXP,同时指出量子计算机结合量子建议可多项式解决所有决策问题。
2024-11-05 cs.CC 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
QIP $ \subseteq $ AM(2QCFA)
具有多项式时间经典或量子交互证明系统(分别为$\mathsf{IP}$或$\mathsf{QIP}$)的语言类与$\mathsf{PSPACE}$相同。我们表明,$\mathsf{PSPACE}$(因此$\mathsf{QIP}$)是子集的$\mathsf{AM(2QCFA)}$,类语言的阿瑟-梅林证明系统的验证者是双向有限自动机与量子和经典状态(2 QCFAs)通信的证明者经典。我们的协议只使用有理数值量子跃迁,并在双指数预期时间内运行。此外,成员串以概率1被接受(即,完美的完整性)。
2025-08-28 cs.CC cs.FL quant-ph
Power of the interactive proof systems with verifiers modeled by semi-quantum two-way finite automata
在本文中,我们探讨的权力AM的情况下,验证者是{\em双向有限自动机与量子和经典状态}(2QCFA)-介绍了Ambainis和Watrous在2002年-和通信是经典的。考虑具有这种"半量子"验证器的AM是有趣的,因为它们仅使用有限的量子资源。我们的主要结果是,这样的量子阿瑟-梅林证明系统(QAM(2QCFA))与多项式预期的运行时间是更强大的验证者的情况下,是双向概率有限自动机(AM(2PFA))与多项式预期的运行时间。此外,我们还证明了存在一种语言,它可以被指数期望运行时间的QAM(2QCFA)识别,但不能被任何AM(2PFA)识别; NP完全语言$L_{knapsack}$也可以被只作用于量子纯态的使用幺正算符的QAM(2QCFA)识别.
2015-05-02 cs.CC cs.CR quant-ph
How proofs are prepared at Camelot
我们研究了一个设计框架,强大的,可独立验证的,和工作负载平衡的分布式算法工作在一个共同的输入。一个算法的基础上的框架基本上是一个分布式编码过程的里德-所罗门码,它使(a)鲁棒性与内在的错误校正和识别失败的节点,拜占庭故障,和(b)独立的随机验证,以检查整个计算的正确性,这基本上不需要更多的资源比每个节点单独贡献的计算。该框架建立在最近的Merlin-Arthur对Williams~[{ \em Electron.]对话计算。\复杂性},报告TR 16 -002,2016年1月],观察到{ \em Merlin的魔法不需要}用于批量评估-仅仅Knights就可以并行地准备证明,并且具有内在的纠错。本文的贡献是表明,在许多情况下,可验证的批处理评估框架承认算法,匹配的总资源消耗最知名的顺序算法解决问题。作为我们的主要结果,我们表明,$n$ -顶点图中的$k$ -团可以在$O(n^{(ω+ε)k/6})$计算节点上的每个节点$O(n^{(ω+ε)k/6})$时间和空间中被计数{ \em和}验证,对于任何常数$ε>0$和可被$6$整除的正整数$k$,其中$2\leqω<2.3728639$是矩阵乘法的指数。这在总运行时间上与最著名的顺序算法相匹配,这是由于Ne{zh}et{zh}il和Poljak [{ \em Comment.~数学~大学~卡罗琳26(1985)415- 419],并大大…
2016-02-03 cs.CC cs.DS
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
Quantum interactive proofs using quantum energy teleportation
该研究利用QST与QET构造兼具完备性、可靠性和零知识性的QIP协议,并扩展至分布式及多证明者场景,给出PSPACE内的安全量子认证方案。
2023-06-14 cs.CC cs.CR cs.IT