The circuit class $\mathsf{QAC}^0$ was introduced by Moore (1999) as a model for constant depth quantum circuits where the gate set includes many-qubit Toffoli gates. Proving lower bounds against such circuits is a longstanding challenge in quantum circuit complexity; in particular, showing that polynomial-size $\mathsf{QAC}^0$ cannot compute the parity function has remained an open question for over 20 years. In this work, we identify a notion of the Pauli spectrum of $\mathsf{QAC}^0$ circuits, which can be viewed as the quantum analogue of the Fourier spectrum of classical $\mathsf{AC}^0$ circuits. We conjecture that the Pauli spectrum of $\mathsf{QAC}^0$ circuits satisfies low-degree concentration, in analogy to the famous Linial, Nisan, Mansour theorem on the low-degree Fourier concentration of $\mathsf{AC}^0$ circuits. If true, this conjecture immediately implies that polynomial-size $\mathsf{QAC}^0$ circuits cannot compute parity. We prove this conjecture for the class of depth-$d$, polynomial-size $\mathsf{QAC}^0$ circuits with at most $n^{O(1/d)}$ auxiliary qubits. We obtain new circuit lower bounds and learning results as applications: this class of circuits cannot correctly compute - the $n$-bit parity function on more than $(\frac{1}{2} + 2^{-\Omega(n^{1/d})})$-fraction of inputs, and - the $n$-bit majority function on more than $(\frac{1}{2} + O(n^{-1/4}))$-fraction of inputs. Additionally we show that this class of $\mathsf{QAC}^0$ circuits with limited auxiliary qubits can be learned with quasipolynomial sample complexity, giving the first learning result for $\mathsf{QAC}^0$ circuits. More broadly, our results add evidence that "Pauli-analytic" techniques can be a powerful tool in studying quantum circuits.


翻译:电路类$\mathsf{QAC}^0$由Moore(1999)引入,作为常量深度量子电路的模型,其门集合包含多量子比特Toffoli门。证明此类电路的下界是量子电路复杂性中的一个长期挑战;特别是,证明多项式规模$\mathsf{QAC}^0$无法计算奇偶函数已悬而未决超过20年。在这项工作中,我们提出了$\mathsf{QAC}^0$电路泡利谱的概念,可视为经典$\mathsf{AC}^0$电路傅里叶谱的量子类比。我们推测$\mathsf{QAC}^0$电路的泡利谱满足低度集中性质,这类似于关于$\mathsf{AC}^0$电路傅里叶低度集中的著名Linial-Nisan-Mansour定理。若该猜想成立,将直接意味着多项式规模$\mathsf{QAC}^0$电路无法计算奇偶函数。我们针对深度为$d$、多项式规模且辅助量子比特数不超过$n^{O(1/d)}$的$\mathsf{QAC}^0$电路证明了该猜想。作为应用,我们获得了新的电路下界和学习结果:此类电路无法在超过$(\frac{1}{2} + 2^{-\Omega(n^{1/d})})$比例的输入上正确计算$n$比特奇偶函数,也无法在超过$(\frac{1}{2} + O(n^{-1/4}))$比例的输入上正确计算$n$比特多数函数。此外,我们证明具有有限辅助量子比特的这些$\mathsf{QAC}^0$电路可在拟多项式样本复杂度下被学习,这是首个关于$\mathsf{QAC}^0$电路的学习结果。更广泛地,我们的结果为“泡利分析”技术可作为研究量子电路的有力工具提供了进一步证据。

0
下载
关闭预览

相关内容

【ACL2020】多模态信息抽取,365页ppt
专知会员服务
151+阅读 · 2020年7月6日
FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
35+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
61+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12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
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
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12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
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16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
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
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
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
6+阅读 · 2014年12月31日
VIP会员
最新内容
《无人机蜂群:释放人类-蜂群编队的潜能》
专知会员服务
0+阅读 · 11分钟前
《战略战术化:一项综合性述评》
专知会员服务
0+阅读 · 15分钟前
美陆军-工业界协同推进反无人机系统技术发展
专知会员服务
1+阅读 · 37分钟前
《跨域指挥背景下的领导力发展》最新报告
专知会员服务
0+阅读 · 43分钟前
俄乌无人机战争的六大启示
专知会员服务
10+阅读 · 8月3日
《无人机空中监控:通信实验洞察》
专知会员服务
8+阅读 · 8月3日
从采集到决策:美军视角下的战术情报范式重构
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
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
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12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
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16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
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
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
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
6+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员