We study quantum period finding algorithms such as Simon and Shor (and its variants Eker{\aa}-H{\aa}stad and Mosca-Ekert). For a periodic function $f$ these algorithms produce -- via some quantum embedding of $f$ -- a quantum superposition $\sum_x |x\rangle|f(x)\rangle$, which requires a certain amount of output qubits that represent $|f(x)\rangle$. We show that one can lower this amount to a single output qubit by hashing $f$ down to a single bit in an oracle setting. Namely, we replace the embedding of $f$ in quantum period finding circuits by oracle access to several embeddings of hashed versions of $f$. We show that on expectation this modification only doubles the required amount of quantum measurements, while significantly reducing the total number of qubits. For example, for Simon's algorithm that finds periods in $f: \mathbb{F}_2^n \rightarrow \mathbb{F}_2^n$ our hashing technique reduces the required output qubits from $n$ down to $1$, and therefore the total amount of qubits from $2n$ to $n+1$. We also show that Simon's algorithm admits real world applications with only $n+1$ qubits by giving a concrete realization of a hashed version of the cryptographic Even-Mansour construction. Moreover, for a variant of Simon's algorithm on Even-Mansour that requires only classical queries to Even-Mansour we save a factor of (roughly) $4$ in the qubits. Our oracle-based hashed version of the Eker{\aa}-H{\aa}stad algorithm for factoring $n$-bit RSA reduces the required qubits from $(\frac 3 2 + o(1))n$ down to $(\frac 1 2 + o(1))n$. We also show a real-world (non-oracle) application in the discrete logarithm setting by giving a concrete realization of a hashed version of Mosca-Ekert for the Decisional Diffie Hellman problem in $\mathbb{F}_{p^m}$, thereby reducing the number of qubits by even a linear factor from $m \log p$ downto $\log p$.


翻译:我们研究量子周期找到运算法,比如西蒙和Shor(以及它的变种 Eker_a}-H~a}stad 和 Mosca-Ekert ) 。对于一个定期函数,这些运算法通过一些量子嵌入 $f$ -- 一个量子叠入 $sum_x\x\rangle}f(x)\rangle$,这需要一定数量的量子比特,代表$@f(x)\rangle$。我们显示,通过将美元降值降为单一的量子输出。 对于Simon的算法,我们通过将美元降为 美元到一个小点。在量子期中找到电路的美元,我们用量子嵌入了一个电路路段。我们只能用3美元的量测算法,因此,我们从Simalbbral2的量向3美元总量显示,我们用量的量的量流流流流流到3美元。

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