The CONGEST and CONGEST-CLIQUE models have been carefully studied to represent situations where the communication bandwidth between processors in a network is severely limited. Messages of only $O(log(n))$ bits of information each may be sent between processors in each round. The quantum versions of these models allow the processors instead to communicate and compute with quantum bits under the same bandwidth limitations. This leads to the following natural research question: What problems can be solved more efficiently in these quantum models than in the classical ones? Building on existing work, we contribute to this question in two ways. Firstly, we present two algorithms in the Quantum CONGEST-CLIQUE model of distributed computation that succeed with high probability; one for producing an approximately optimal Steiner Tree, and one for producing an exact directed minimum spanning tree, each of which uses $\tilde{O}(n^{1/4})$ rounds of communication and $\tilde{O}(n^{9/4})$ messages, where $n$ is the number of nodes in the network. The algorithms thus achieve a lower asymptotic round and message complexity than any known algorithms in the classical CONGEST-CLIQUE model. At a high level, we achieve these results by combining classical algorithmic frameworks with quantum subroutines. An existing framework for using distributed version of Grover's search algorithm to accelerate triangle finding lies at the core of the asymptotic speedup. Secondly, we carefully characterize the constants and logarithmic factors involved in our algorithms as well as related algorithms, otherwise commonly obscured by $\tilde{O}$ notation. The analysis shows that some improvements are needed to render both our and existing related quantum and classical algorithms practical, as their asymptotic speedups only help for very large values of $n$.


翻译:CONGEST和CONGEST-CLIQUE模型已经被认真研究以表示网络处理器之间的通信带宽严重受限的情况。每轮中只能发送O(log(n))位信息。量子版本的这些模型允许处理器使用量子位和相同的带宽限制进行通信和计算。这引出以下自然研究问题:这些量子模型比经典模型更有效地解决了哪些问题?在现有工作的基础上,我们做出了两个贡献。首先,我们在量子CONGEST-CLIQUE模型下提出了两个成功概率很高的算法:一个用于制作近似最优斯坦纳树,一个用于生成精确的有向最小生成树,每个算法只使用$\tilde{O}(n^{1/4})$轮通信和$\tilde{O}(n^{9/4})$个消息,其中$n$是网络中节点的数量。因此,算法实现了比经典CONGEST-CLIQUE模型中任何已知算法更低的渐近轮和消息复杂度。在高层次上,我们通过将经典的算法框架与量子子例程相结合来实现这些结果。使用分布式版本Grover搜索算法的现有框架用于加速查找三角形,是渐近加速的核心。其次,我们仔细描述了我们的算法及相关算法中涉及的常数和对数因子,以往常通过$\tilde{O}$符号遮蔽。分析表明,需要进行一些改进,使我们和现有相关的量子和经典算法变得实用,因为它们的渐近速度只有在非常大的$n$值时才有帮助。

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