Non-linearity of a Boolean function indicates how far it is from any linear function. Despite there being several strong results about identifying a linear function and distinguishing one from a sufficiently non-linear function, we found a surprising lack of work on computing the non-linearity of a function. The non-linearity is related to the Walsh coefficient with the largest absolute value; however, the naive attempt of picking the maximum after constructing a Walsh spectrum requires $\Theta(2^n)$ queries to an $n$-bit function. We improve the scenario by designing highly efficient quantum and randomised algorithms to approximate the non-linearity allowing additive error, denoted $\lambda$, with query complexities that depend polynomially on $\lambda$. We prove lower bounds to show that these are not very far from the optimal ones. The number of queries made by our randomised algorithm is linear in $n$, already an exponential improvement, and the number of queries made by our quantum algorithm is surprisingly independent of $n$. Our randomised algorithm uses a Goldreich-Levin style of navigating all Walsh coefficients and our quantum algorithm uses a clever combination of Deutsch-Jozsa, amplitude amplification and amplitude estimation to improve upon the existing quantum versions of the Goldreich-Levin technique.
翻译:Boolean 函数的无线性表示它与任何线性函数的距离。 尽管在确定线性函数和将一个功能与足够非线性函数区分方面有好几项强有力的结果, 但我们发现在计算函数的非线性方面却出乎意料地缺乏工作。 非线性与具有最大绝对值的沃尔什系数有关; 然而, 在构建一个沃尔什频谱后选择最大值的天真的尝试需要$\Theta(2 ⁇ n) 查询到一个美元比特函数。 我们通过设计高效的量和随机化算法来将非线性允许的错误( denodd $\lambda$)与足够非线性函数区别开来改进设想。 我们证明非线性与计算性系数值有关; 我们的随机化算法的查询数量是以美元为线性, 已经是指数性改进的, 我们的定量算法使用一种非线性的非线性算法, 将所有沃尔什- 兰斯- 度 的导航性 率 和 我们的定量算法的精准性 组合 将所有沃尔什- 度 的 度 度 的 度 的 度 的 的 的 的 的 度 的 的 的 的 和 的 的 的 的 的 的 的 的 的 数字 的 的 的 和 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 和 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 和 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 和 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 和 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的