We introduce the graph composition framework, a generalization of the $st$-connectivity framework for constructing quantum algorithms. Our framework constructs algorithms that solve a connectivity problem on an undirected graph, where the availability of each edge is computed by a span program. The key novelty of our framework is that the construction allows for amortization of the span programs' costs, while at the same time avoiding build-up of errors due to composition. We give generic time-efficient implementations of algorithms generated through the graph composition framework in the quantum read-only memory model, which is a weaker assumption than the more common quantum random-access model. Along the way, we also simplify the span program algorithm by converting it to a transducer, and remove the dependence of its analysis on the effective spectral gap lemma. We use graph composition to unify existing quantum algorithmic frameworks. Surprisingly, we show that any randomized algorithm can be converted into an instance of the $st$-connectivity framework. Furthermore, we show that the $st$-connectivity framework subsumes the learning graph framework, and the weighted-decision-tree framework. We show that the graph composition framework subsumes part of the quantum divide-and-conquer framework, and that it is itself subsumed by the multidimensional quantum walk framework. Moreover, we show polynomial relations and separations between the optimal query complexities that can be achieved with several of these frameworks. Finally, we apply our techniques to give improved algorithms for various string-search problems.


翻译:本文提出图组合框架,作为构建量子算法的$st$连通性框架的推广。该框架构建的算法用于解决无向图上的连通性问题,其中每条边的可用性通过跨度程序计算。本框架的核心创新在于:其构造方式允许对跨度程序的成本进行摊销,同时避免因组合而产生的误差累积。我们在量子只读存储器模型中给出了通过图组合框架生成算法的通用时间高效实现,该模型是比常见的量子随机存取模型更弱的假设。在此过程中,我们通过将跨度程序算法转换为转换器来简化其结构,并消除了其分析对有效谱间隙引理的依赖。我们利用图组合框架统一了现有的量子算法框架。令人惊讶的是,我们证明任何随机化算法均可转换为$st$连通性框架的实例。此外,我们证明$st$连通性框架包含了学习图框架和加权决策树框架。我们证明图组合框架包含了量子分治框架的部分内容,而其本身又被多维量子游走框架所包含。进一步,我们展示了这些框架间可实现的最优查询复杂度之间的多项式关系与分离性。最后,我们将所提技术应用于多种字符串搜索问题,给出了改进算法。

0
下载
关闭预览

相关内容

在数学和计算机科学之中,算法(Algorithm)为一个计算的具体步骤,常用于计算、数据处理和自动推理。精确而言,算法是一个表示为有限长列表的有效方法。算法应包含清晰定义的指令用于计算函数。 来自维基百科: 算法
《图强化学习在组合优化中的应用》综述
专知会员服务
60+阅读 · 2024年4月10日
【2024新书】数据科学中的图算法:以Neo4j为例
专知会员服务
81+阅读 · 2024年1月19日
【2022新书】图算法指南,A Guide to Graph Algorithms, 350页pdf
专知会员服务
84+阅读 · 2022年3月2日
专知会员服务
37+阅读 · 2021年9月12日
【硬核书】图论、组合优化和算法手册,1217页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2021年6月29日
图计算加速架构综述
专知会员服务
51+阅读 · 2021年4月5日
【图计算】人工智能之图计算
产业智能官
17+阅读 · 2020年4月3日
图机器学习 2.2-2.4 Properties of Networks, Random Graph
图与推荐
10+阅读 · 2020年3月28日
“推荐系统”加上“图神经网络”
机器学习与推荐算法
12+阅读 · 2020年3月23日
图论、图算法与图学习
专知
29+阅读 · 2019年6月24日
面试题:请简要介绍下tensorflow的计算图
七月在线实验室
14+阅读 · 2019年6月10日
图神经网络最近这么火,不妨看看我们精选的这七篇
人工智能前沿讲习班
37+阅读 · 2018年12月10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
3+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
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+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 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
VIP会员
相关VIP内容
《图强化学习在组合优化中的应用》综述
专知会员服务
60+阅读 · 2024年4月10日
【2024新书】数据科学中的图算法:以Neo4j为例
专知会员服务
81+阅读 · 2024年1月19日
【2022新书】图算法指南,A Guide to Graph Algorithms, 350页pdf
专知会员服务
84+阅读 · 2022年3月2日
专知会员服务
37+阅读 · 2021年9月12日
【硬核书】图论、组合优化和算法手册,1217页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2021年6月29日
图计算加速架构综述
专知会员服务
51+阅读 · 2021年4月5日
相关资讯
【图计算】人工智能之图计算
产业智能官
17+阅读 · 2020年4月3日
图机器学习 2.2-2.4 Properties of Networks, Random Graph
图与推荐
10+阅读 · 2020年3月28日
“推荐系统”加上“图神经网络”
机器学习与推荐算法
12+阅读 · 2020年3月23日
图论、图算法与图学习
专知
29+阅读 · 2019年6月24日
面试题:请简要介绍下tensorflow的计算图
七月在线实验室
14+阅读 · 2019年6月10日
图神经网络最近这么火,不妨看看我们精选的这七篇
人工智能前沿讲习班
37+阅读 · 2018年12月10日
相关基金
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
3+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
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+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 · 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