"Pebble games," an abstraction from classical reversible computing, have found use in the design of quantum circuits for inherently sequential tasks. Gidney showed that allowing Hadamard basis measurements during pebble games can dramatically improve costs -- an extension termed "spooky pebble games" because the measurements leave temporary phase errors called ghosts. In this work, we define and study parallel spooky pebble games. Previous work by Blocki, Holman, and Lee (TCC 2022) and Gidney studied the benefits offered by either parallelism or spookiness individually; here we show that these resources can yield impressive gains when used together. First, we show by construction that a line graph of length $\ell$ can be pebbled in depth $2\ell$ (which is exactly optimal) using space $\leq 2.47\log \ell$. Then, to explore pebbling schemes using even less space, we use a highly optimized $A^*$ search implemented in Julia to find the lowest-depth parallel spooky pebbling possible for a range of concrete line graph lengths $\ell$ given a constant number of pebbles $s$. We show that these techniques can be applied to Regev's factoring algorithm (Journal of the ACM 2025) to significantly reduce the cost of its arithmetic. For example, we find that 4096-bit integers $N$ can be factored in multiplication depth 193, which outperforms the 680 required of previous variants of Regev and the 444 reported by Eker{\aa} and G\"artner for Shor's algorithm (IACR Communications in Cryptology 2025). While space-optimized implementations of Shor's algorithm remain likely the best candidates for first quantum factorization of large integers, our results show that Regev's algorithm may have practical importance in the future, especially given the possibility of further optimization. Finally, we believe our pebbling techniques will find applications in quantum cryptanalysis beyond integer factorization.


翻译:"卵石游戏"这一源于经典可逆计算的抽象概念,已在量子电路设计中用于处理固有顺序性任务。Gidney的研究表明,在卵石游戏中允许进行Hadamard基测量能显著降低计算成本——这一扩展被称为"幽灵卵石游戏",因为测量会留下称为"幽灵"的临时相位误差。本文定义并研究了并行幽灵卵石游戏。Blocki、Holman和Lee(TCC 2022)以及Gidney的前期工作分别研究了并行性或幽灵特性单独带来的优势;本文则证明当这两种资源结合使用时能产生显著增益。首先,我们通过构造证明:长度为$\ell$的线图可在深度$2\ell$(达到理论最优)下使用空间$\leq 2.47\log \ell$完成卵石放置。随后,为探索使用更少空间的卵石放置方案,我们采用Julia语言实现的高度优化$A^*$搜索算法,针对给定固定卵石数$s$的不同具体线图长度$\ell$,寻找可能的最低深度并行幽灵卵石放置方案。研究表明,这些技术可应用于Regev因式分解算法(Journal of the ACM 2025),显著降低其算术运算成本。例如,我们发现4096位整数$N$可在乘法深度193下完成因式分解,这优于Regev先前变体所需的680深度,也优于Ekerå和Gärtner为Shor算法报告的444深度(IACR Communications in Cryptology 2025)。虽然空间优化的Shor算法实现仍可能是大整数首次量子因式分解的最佳候选方案,但我们的结果表明Regev算法未来可能具有实际重要性,特别是考虑到进一步优化的可能性。最后,我们相信本文的卵石放置技术将在整数因式分解之外的量子密码分析领域获得应用。

0
下载
关闭预览

相关内容

FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
46+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
1+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
Arxiv
25+阅读 · 2021年6月25日
Knowledge Embedding Based Graph Convolutional Network
Arxiv
24+阅读 · 2021年4月23日
Arxiv
24+阅读 · 2018年10月24日
The Matrix Calculus You Need For Deep Learning
Arxiv
12+阅读 · 2018年7月2日
Arxiv
14+阅读 · 2018年5月15日
VIP会员
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
相关论文
Arxiv
25+阅读 · 2021年6月25日
Knowledge Embedding Based Graph Convolutional Network
Arxiv
24+阅读 · 2021年4月23日
Arxiv
24+阅读 · 2018年10月24日
The Matrix Calculus You Need For Deep Learning
Arxiv
12+阅读 · 2018年7月2日
Arxiv
14+阅读 · 2018年5月15日
相关基金
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
46+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
1+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
Top
微信扫码咨询专知VIP会员