In all well-studied $\mathsf{TFNP}$ subclasses (e.g. $\mathsf{PPA}, \mathsf{PPP}$ etc.), the canonical complete problem takes as input a polynomial-size circuit $C: \{ 0, 1\}^n \rightarrow \{ 0, 1\}^m$ whose input-output behavior implicitly encodes an exponentially large object $G$, i.e. $C$ is the succinct (polynomial-size) representation of the exponential size object $G$. The goal is to find some particular substructure in $G$ which can be confirmed in polynomial time using queries to $C$. We initiate the study of classes of the form $\mathsf{A}^{\mathsf{B}}$ where both $\mathsf{A}$ and $\mathsf{B}$ are $\mathsf{TFNP}$ subclasses. In particular, we define complete problems for these classes that take as input a circuit $C$ which is allowed oracle gates to another $\mathsf{TFNP}$ class. Beyond introducing definitions for $\mathsf{TFNP}$ oracle problems, our specific technical contributions include showing that several $\mathsf{TFNP}$ subclasses are self-low and hence their corresponding hierarchies collapse. In particular, $\mathsf{PPA^{PPA}} = \mathsf{PPA}$, $\mathsf{PLS^{PLS}} = \mathsf{PLS}$, and $\mathsf{LOSSY^{LOSSY}} = \mathsf{LOSSY}$. As an immediate consequence, we derive that when reducing to $\mathsf{PPA}$, one can always assume access to $\mathsf{PPA}$ -- and therefore factoring -- oracle gates. In addition to introducing a variety of hierarchies within $\mathsf{TFNP}$ that merit study in their own right, these ideas introduce a novel approach for classifying computational problems within $\mathsf{TFNP}$ and proving black-box separations. For example, we observe that the problem of deterministically generating large prime numbers, which has long resisted classification in a $\mathsf{TFNP}$ subclass, is in $\mathsf{PPP^{\mathsf{PPP}}}$ under the Generalized Riemann Hypothesis.


翻译:在所有已深入研究的 $\mathsf{TFNP}$ 子类(例如 $\mathsf{PPA}$、$\mathsf{PPP}$ 等)中,其典型完全问题接受一个多项式规模电路 $C: \{ 0, 1\}^n \rightarrow \{ 0, 1\}^m$ 作为输入,该电路的输入-输出行为隐式编码了一个指数级规模的对象 $G$,即 $C$ 是指数规模对象 $G$ 的简洁(多项式规模)表示。目标是在 $G$ 中找到某个特定子结构,该结构可以通过对 $C$ 的查询在多项式时间内得到验证。我们开创性地研究了形式为 $\mathsf{A}^{\mathsf{B}}$ 的类别,其中 $\mathsf{A}$ 和 $\mathsf{B}$ 均为 $\mathsf{TFNP}$ 子类。特别地,我们为这些类别定义了完全问题,其输入电路 $C$ 被允许包含通向另一个 $\mathsf{TFNP}$ 类的谕示门。除了为 $\mathsf{TFNP}$ 谕示问题引入定义外,我们具体的技术贡献还包括证明了多个 $\mathsf{TFNP}$ 子类是自低阶的,因此它们对应的层级结构会发生塌缩。具体而言,$\mathsf{PPA^{PPA}} = \mathsf{PPA}$,$\mathsf{PLS^{PLS}} = \mathsf{PLS}$,以及 $\mathsf{LOSSY^{LOSSY}} = \mathsf{LOSSY}$。作为一个直接推论,我们得出:在归约到 $\mathsf{PPA}$ 时,总可以假设能够访问 $\mathsf{PPA}$——进而也是分解——谕示门。除了引入多种值得独立研究的 $\mathsf{TFNP}$ 内部层级结构外,这些思想还提出了一种新颖的方法,用于对 $\mathsf{TFNP}$ 内的计算问题进行分类并证明黑盒分离。例如,我们观察到,长期以来难以归入某个 $\mathsf{TFNP}$ 子类的确定性生成大素数问题,在广义黎曼假设下属于 $\mathsf{PPP^{\mathsf{PPP}}}$。

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