The claw problem is central in the fields of theoretical computer science as well as cryptography. The optimal quantum query complexity of the problem is known to be $\Omega\left(\sqrt{G}+(FG)^{1/3} \right)$ for input functions $f\colon [F]\to Z$ and $g\colon [G]\to Z$. However, the lower bound was proved when the range $Z$ is sufficiently large (i.e., $|{Z}|=\Omega(FG)$). The current paper proves the lower bound holds even for every smaller range $Z$ with $|{Z}|\ge F+G$. This implies that $\Omega\left(\sqrt{G}+(FG)^{1/3} \right)$ is tight for every such range. In addition, the lower bound $\Omega\left(\sqrt{G}+F^{1/3}G^{1/6}M^{1/6}\right)$ is provided for even smaller range $Z=[M]$ with every $M\in [2,F+G]$ by reducing the claw problem for $|{Z}|= F+G$. The proof technique is general enough to apply to any $k$-symmetric property (e.g., the $k$-claw problem), i.e., the Boolean function $\Phi$ on the set of $k$ functions with different-size domains and a common range such that $\Phi$ is invariant under the permutations over each domain and the permutations over the range. More concretely, it generalizes Ambainis's argument [Theory of Computing, 1(1):37-46] to the multiple-function case by using the notion of multisymmetric polynomials.


翻译:爪问题在理论计算机科学和密码学领域中具有核心地位。已知该问题的最优量子查询复杂度为 $\Omega\left(\sqrt{G}+(FG)^{1/3} \right)$,其中输入函数为 $f\colon [F]\to Z$ 和 $g\colon [G]\to Z$。然而,该下界是在值域 $Z$ 足够大(即 $|{Z}|=\Omega(FG)$)的条件下证明的。本文证明了即使对于每个满足 $|{Z}|\ge F+G$ 的较小值域 $Z$,该下界依然成立。这意味着 $\Omega\left(\sqrt{G}+(FG)^{1/3} \right)$ 对于所有此类值域都是紧的。此外,通过将 $|{Z}|= F+G$ 的爪问题归约,本文进一步为更小的值域 $Z=[M]$(其中任意 $M\in [2,F+G]$)提供了下界 $\Omega\left(\sqrt{G}+F^{1/3}G^{1/6}M^{1/6}\right)$。该证明技术具有足够的普适性,可应用于任意 $k$-对称性质(例如 $k$-爪问题),即定义在具有不同大小定义域和公共值域的 $k$ 个函数集合上的布尔函数 $\Phi$,且 $\Phi$ 在每个定义域上的置换以及值域上的置换下保持不变。具体而言,本文通过使用多对称多项式的概念,将 Ambainis 的论证 [Theory of Computing, 1(1):37-46] 推广至多函数情形。

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