In this work, we prove the strongest known lower bounds for QAC$^0$, allowing polynomially many gates and ancillae. Our main results show that: (1) Depth-3 QAC$^0$ circuits cannot compute PARITY, and require $Ω(\exp(\sqrt{n}))$ gates to compute MAJORITY. (2) Depth-2 circuits cannot approximate high-influence Boolean functions (e.g., PARITY) with non-negligible advantage, regardless of size. We develop new classical simulation techniques for QAC$^0$ to obtain our depth-3 bounds. In these results, we relax the output requirement of the quantum circuit to a single bit, making our depth $2$ approximation bound stronger than the previous best bound of Rosenthal (2021). This also enables us to draw natural comparisons with classical AC$^0$ circuits, which can compute PARITY exactly in depth $2$ (exp size). Our techniques further suggest that, for boolean total functions, constant-depth quantum circuits do not necessarily provide more power than their classical counterparts. Our third result shows that depth $2$ QAC$^0$ circuits, regardless of size, cannot exactly synthesize an $n$-target nekomata state (a state whose synthesis is directly related to the computation of PARITY). This complements the depth $2$ exponential size upper bound of Rosenthal (2021) for approximating nekomatas (which is used as a sub-circuit in the only known constant depth PARITY upper bound). Finally, we argue that approximating PARITY in QAC0, with significantly better than 1/poly(n) advantage on average, is just as hard as computing it exactly. Thus, extending our techniques to higher depths would also rule out approximate circuits for PARITY and related problems


翻译:在本工作中,我们证明了目前已知的关于 QAC$^0$ 电路的最强下界,允许电路包含多项式数量的门和辅助量子位。我们的主要结果表明:(1)深度为 3 的 QAC$^0$ 电路无法计算 PARITY 函数,并且计算 MAJORITY 函数需要 $Ω(\exp(\sqrt{n}))$ 个门。(2)无论规模如何,深度为 2 的电路无法以不可忽略的优势逼近高影响力布尔函数(例如 PARITY)。我们为 QAC$^0$ 开发了新的经典模拟技术以获得深度 3 的下界。在这些结果中,我们将量子电路的输出要求放宽至单个比特,这使得我们的深度 2 逼近下界比 Rosenthal (2021) 之前的最佳下界更强。这也使我们能够与经典 AC$^0$ 电路进行自然的比较,后者可以在深度 2(指数规模)下精确计算 PARITY。我们的技术进一步表明,对于布尔全函数,常数深度量子电路不一定比其经典对应物提供更强的计算能力。我们的第三个结果表明,无论规模如何,深度为 2 的 QAC$^0$ 电路无法精确合成一个 $n$ 目标的猫又态(其合成与 PARITY 的计算直接相关)。这补充了 Rosenthal (2021) 关于逼近猫又态的深度 2 指数规模上界(该子电路被用于目前唯一已知的常数深度 PARITY 上界构造中)。最后,我们论证了在 QAC0 中以显著优于 1/poly(n) 的平均优势逼近 PARITY,其难度与精确计算该函数相当。因此,将我们的技术推广到更高深度也将排除用于 PARITY 及相关问题的近似电路。

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