Questão.
Em seu artigo Simulação aprimorada de circuitos estabilizadores , Aaronson e Gottesman afirmam que a simulação de um circuito CNOT é completa em L (sob reduções no espaço de log). É claro que está contido em ⊕L ; como se mantém o resultado da dureza?
Equivalentemente: há uma redução do espaço de log do módulo 2 dos produtos da matriz iterada para produtos iterados das matrizes elementares (as matrizes invertíveis que realizam transformações de linha) mod 2?
Detalhes
Uma operação NÃO controlada (ou CNOT ) é uma operação booleana reversível, no formato que apenas o j- ésimo bit é alterado e esse bit ser alterado por adição de módulo 2, para qualquer posição distinta h e j . Não é difícil ver, se interpretarmos
O artigo de Aaronson e Gottesman mencionado acima (que, incidentalmente a essa pergunta, é sobre uma classe de circuitos quânticos que podem ser simulados em L ) possui uma seção sobre complexidade computacional. No início desta seção, eles descrevem ⊕L da seguinte maneira:
⊕L [é] a classe de todos os problemas solucionáveis por uma máquina de Turing de espaço logarítmico não determinístico, que aceita se e somente se o número total de caminhos aceitáveis for ímpar. Mas há uma definição alternativa que provavelmente é mais intuitiva para não cientistas da computação. Isso é que ⊕L é a classe de problemas que se reduz à simulação de um circuito CNOT de tamanho polinomial, ou seja , um circuito composto inteiramente de portas NOT e CNOT, atuando no estado inicial | 0 ... 0⟩. (É fácil mostrar que as duas definições são equivalentes, mas isso exigiria que explicássemos primeiro o que a definição usual significa!)
O público-alvo do artigo incluiu um número substancial de não cientistas da computação, portanto, o desejo de escapar não é razoável; Espero que alguém possa esclarecer como essa equivalência se aplica.
Claramente, a simulação de um produto dessas matrizes pode ser realizada em ⊕L como um caso especial de avaliação de coeficientes de produtos de matriz iterada (mod 2), que é um problema completo (em reduções de espaço de log) para ⊕L . Além disso, como as matrizes CNOT apenas realizam operações de linha elementares, qualquer matriz invertível pode ser decomposta como um produto das matrizes CNOT. No entanto: não está claro como decompor até mesmo uma matriz inversível mod 2 em um produto de matrizes CNOT por uma redução do espaço de log . (De fato, como observado por Emil Jeřábek nos comentários, a eliminação gaussiana é suficiente para calcular os determinantes mod 2, que é um problema completo de ⊕L : portanto, um ataque direto por decomposição, por exemplo matrizes invertíveis como produtos de matrizes elementares parece não ser viável no espaço de log, a menos que L = ⊕L .) Para não falar de produtos de matriz que não são invertíveis. Portanto, parece ser necessária uma redução mais inteligente.
Espero que alguém possa fornecer um esboço dessa redução ou uma referência ( por exemplo, um texto para o qual este é um exercício, se for simples).
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Respostas:
Vamos começar com o problema completo de contar mod 2 o número de caminhos de comprimento n do vértice s ao vértice t em um gráfico direcionado G = ( V , E ) . Aplicamos algumas reduções de espaço de log da seguinte maneira.⊕ L 2 n s t G = ( V, E)
Seja o gráfico tal que V ′ = V × { 0 , … , n } e E ′ = { ( ( u , i ) , ( v , i + 1 ) : i < n , ( u , v ) ∈ E } ∪ { (G′= ( V′, E′) V′= V× { 0 , … , n } (isto é, tomamos n + 1 cópias de G ‘vértices s, faça bordas ir do i th cópia para a ( i + 1 ) th cópia de acordo com G bordas 's, e adicione todos os auto-loops). Então o problema original é equivalente a contar caminhos de comprimento n de s ′ = ( s , 0 ) até t ′ = ( t , n )E′= { ( ( u , i ) , ( v , i + 1 ) : i < n , ( u , v ) ∈ E}∪{(w,w):w∈V′} n+1 G i (i+1) G n s′=(s,0) t′=(t,n) em .G′
Além disso, é acíclico, e podemos definir explicitamente uma enumeração V ′ = { w k : k ≤ m }, de modo que todas as arestas em G ′, além dos auto-loops, vão de w k a w l por alguns k < l . Sem perda de generalidade, w 0 = s ' e w m = t ' . Seja M a matriz de adjacência de G ′G′ V′={wk:k≤m} G′ wk wl k<l w0=s′ wm=t′ M G′ escreva a enumeração fornecida. Então é uma matriz inteira triangular superior com 1 na diagonal e o número de caminhos de comprimento n de s ′ até t ′ é igual ao elemento superior direito de M n .M 1 n s′ t′ Mn
É fácil ver que onde E i , j ( a ) é a matriz elementar cuja única entrada não-diagonal é uma em linha i e coluna j . Dessa maneira, reduzimos o problema original para calcular o elemento superior direito de um produto de matrizes elementares. No ⊕ L
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