Despite the fundamental role the Quantum Satisfiability (QSAT) problem has played in quantum complexity theory, a central question remains open: At which local dimension does the complexity of QSAT transition from "easy" to "hard"? Here, we study QSAT with each constraint acting on a $k$-dimensional and $l$-dimensional qudit pair, denoted $(k,l)$-QSAT. Our first main result shows that, surprisingly, QSAT on qubits can remain $\mathsf{QMA}_1$-hard, in that $(2,5)$-QSAT is $\mathsf{QMA}_1$-complete. In contrast, $2$-SAT on qubits is well-known to be poly-time solvable [Bravyi, 2006]. Our second main result proves that $(3,d)$-QSAT on the 1D line with $d\in O(1)$ is also $\mathsf{QMA}_1$-hard. Finally, we initiate the study of 1D $(2,d)$-QSAT by giving a frustration-free 1D Hamiltonian with a unique, entangled ground state. Our first result uses a direct embedding, combining a novel clock construction with the 2D circuit-to-Hamiltonian construction of [Gosset, Nagaj, 2013]. Of note is a new simplified and analytic proof for the latter (as opposed to a partially numeric proof in [GN13]). This exploits Unitary Labelled Graphs [Bausch, Cubitt, Ozols, 2017] together with a new "Nullspace Connection Lemma", allowing us to break low energy analyses into small patches of projectors, and to improve the soundness analysis of [GN13] from $\Omega(1/T^6)$ to $\Omega(1/T^2)$, for $T$ the number of gates. Our second result goes via black-box reduction: Given an arbitrary 1D Hamiltonian $H$ on $d'$-dimensional qudits, we show how to embed it into an effective null-space of a 1D $(3,d)$-QSAT instance, for $d\in O(1)$. Our approach may be viewed as a weaker notion of "simulation" (\`a la [Bravyi, Hastings 2017], [Cubitt, Montanaro, Piddock 2018]). As far as we are aware, this gives the first "black-box simulation"-based $\mathsf{QMA}_1$-hardness result, i.e. for frustration-free Hamiltonians.


翻译:尽管量子可满足性(QSAT)问题在量子复杂性理论中扮演着基础性角色,但一个核心问题仍然悬而未决:QSAT的复杂性在何种局域维度下从"简单"转变为"困难"?本文研究每个约束作用于$k$维与$l$维量子比特对上的QSAT问题,记为$(k,l)$-QSAT。首个主要结果表明,令人意外的是,量子比特上的QSAT可保持$\mathsf{QMA}_1$-困难性,即$(2,5)$-QSAT是$\mathsf{QMA}_1$-完全的。相比之下,量子比特上的2-SAT众所周知可在多项式时间内求解[Bravyi, 2006]。第二个主要结果证明,一维线上满足$d\in O(1)$的$(3,d)$-QSAT同样是$\mathsf{QMA}_1$-困难的。最后,我们通过构造具有唯一纠缠基态的无阻挫一维哈密顿量,开创了对一维$(2,d)$-QSAT的研究。第一个结果采用直接嵌入方法,将新型时钟构造与[Gosset, Nagaj, 2013]的二维电路到哈密顿量构造相结合。值得关注的是,我们为后者给出了新的简化解析证明(区别于[GN13]的部分数值证明)。该证明利用幺正标记图[Bausch, Cubitt, Ozols, 2017]与新的"零空间连接引理",将低能分析分解为投影算子的局部补丁,并将[GN13]的可靠度分析从$\Omega(1/T^6)$改进为$\Omega(1/T^2)$($T$为门数量)。第二个结果通过黑盒归约实现:给定$d'$维量子比特上的任意一维哈密顿量$H$,我们展示了如何将其嵌入到满足$d\in O(1)$的一维$(3,d)$-QSAT实例的有效零空间中。我们的方法可视为一种更弱意义上的"模拟"(参照[Bravyi, Hastings 2017]、[Cubitt, Montanaro, Piddock 2018])。据我们所知,这是首个基于"黑盒模拟"的$\mathsf{QMA}_1$-困难性结果,即针对无阻挫哈密顿量的情况。

0
下载
关闭预览

相关内容

在科学,计算和工程学中,黑盒是一种设备,系统或对象,可以根据其输入和输出(或传输特性)对其进行查看,而无需对其内部工作有任何了解。 它的实现是“不透明的”(黑色)。 几乎任何事物都可以被称为黑盒:晶体管,引擎,算法,人脑,机构或政府。为了使用典型的“黑匣子方法”来分析建模为开放系统的事物,仅考虑刺激/响应的行为,以推断(未知)盒子。 该黑匣子系统的通常表示形式是在该方框中居中的数据流程图。黑盒的对立面是一个内部组件或逻辑可用于检查的系统,通常将其称为白盒(有时也称为“透明盒”或“玻璃盒”)。
牛津大学最新《计算代数拓扑》笔记书,107页pdf
专知会员服务
44+阅读 · 2022年2月17日
FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
RL解决'BipedalWalkerHardcore-v2' (SOTA)
CreateAMind
31+阅读 · 2019年7月17日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
可解释的CNN
CreateAMind
18+阅读 · 2017年10月5日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2024年2月15日
VIP会员
最新内容
学习数据的几何:形状空间分析数学综述
专知会员服务
6+阅读 · 6月17日
定向能反无人机系统最新发展动态
专知会员服务
7+阅读 · 6月17日
从燃煤战舰到算法战争:水面指挥的永恒要求
专知会员服务
4+阅读 · 6月17日
相关VIP内容
牛津大学最新《计算代数拓扑》笔记书,107页pdf
专知会员服务
44+阅读 · 2022年2月17日
FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
相关资讯
RL解决'BipedalWalkerHardcore-v2' (SOTA)
CreateAMind
31+阅读 · 2019年7月17日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
可解释的CNN
CreateAMind
18+阅读 · 2017年10月5日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
相关基金
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员