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 $(1 - 1/\mathrm{poly}(n))$-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,作为恒定深度量子电路的模型,其中门集包含多量子比特Toffoli门。证明此类电路的下界是量子电路复杂度领域的长期挑战;特别是,证明多项式大小的$\mathsf{QAC}^0$无法计算奇偶函数在过去20多年中一直悬而未决。本文中,我们识别出$\mathsf{QAC}^0$电路的“泡利谱”概念,可视为经典$\mathsf{AC}^0$电路傅里叶谱的量子类比。我们猜想$\mathsf{QAC}^0$电路的泡利谱满足低度集中性质,类似于经典的Linial、Nisan、Mansour定理关于$\mathsf{AC}^0$电路的低度傅里叶集中。若该猜想成立,则立即推出多项式大小$\mathsf{QAC}^0$电路无法计算奇偶函数。我们针对深度为$d$、多项式大小且辅助量子比特数不超过$n^{O(1/d)}$的$\mathsf{QAC}^0$电路证明了这一猜想。作为应用,我们获得了新的电路下界和学习结果:此类电路无法正确计算——在超过$(\frac{1}{2} + 2^{-\Omega(n^{1/d})})$比例的输入上计算$n$比特奇偶函数,以及——在超过$(1 - 1/\mathrm{poly}(n))$比例的输入上计算$n$比特多数函数。此外,我们证明此类具有有限辅助量子比特的$\mathsf{QAC}^0$电路可以拟多项式样本复杂度被学习,这是首个针对$\mathsf{QAC}^0$电路的学习结果。更广泛地,我们的结果进一步证明了“泡利分析”技术可成为研究量子电路的强大工具。

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