The query model has generated considerable interest in both classical and quantum computing communities. Typically, quantum advantages are demonstrated by showcasing a quantum algorithm with a better query complexity compared to its classical counterpart. Exact quantum query algorithms play a pivotal role in developing quantum algorithms. For example, the Deutsch-Jozsa algorithm demonstrated exponential quantum advantages over classical deterministic algorithms. As an important complexity measure, exact quantum query complexity describes the minimum number of queries required to solve a specific problem exactly using a quantum algorithm. In this paper, we consider the exact quantum query complexity of the following two $n$-bit symmetric functions $\text{MOD}_m^n:\{0,1\}^n \rightarrow \{0,...,m-1\}$ and $\text{EXACT}_{k,l}^n:\{0,1\}^n \rightarrow \{0,1\}$, which are defined as $\text{MOD}_m^n(x) = |x| \bmod m$ and $ \text{EXACT}_{k,l}^n(x) = 1$ iff $|x| \in \{k,l\}$, where $|x|$ is the number of $1$'s in $x$. Our results are as follows: i) We present an optimal quantum algorithm for computing $\text{MOD}_m^n$, achieving a query complexity of $\lceil n(1-\frac{1}{m}) \rceil$ for $1 < m \le n$. This settles a conjecture proposed by Cornelissen, Mande, Ozols and de Wolf (2021). Based on this algorithm, we show the exact quantum query complexity of a broad class of symmetric functions that map $\{0,1\}^n$ to a finite set $X$ is less than $n$. ii) When $l-k \ge 2$, we give an optimal exact quantum query algorithm to compute $\text{EXACT}_{k,l}^n$ for the case $k=0$ or $k=1,l=n-1$. This resolves the conjecture proposed by Ambainis, Iraids and Nagaj (2017) partially.


翻译:在经典和量子计算领域,查询模型引起了相当大的兴趣。通常展示量子算法与经典算法相比具有更好的查询复杂度,从而证明量子算法的优势。精确量子查询算法在发展量子算法时起着关键作用。例如,Deutsch-Jozsa 算法展示了比经典确定性算法更高的指数型量子优势。作为一个重要的复杂度度量,精确量子查询复杂度描述了使用量子算法精确解决特定问题所需的最小查询次数。本文考虑两个 $n$ 位对称函数 $\text{MOD}_m^n: \{0,1\}^n \rightarrow \{0,...,m-1\}$ 和 $\text{EXACT}_{k,l}^n: \{0,1\}^n \rightarrow \{0,1\}$ 的精确量子查询复杂度,其中 $\text{MOD}_m^n(x) = |x| \bmod m$,$ \text{EXACT}_{k,l}^n(x) = 1$ 当且仅当 $|x| \in \{k,l\}$,其中 $|x|$ 为 $x$ 中 $1$ 的数量。我们的结果如下:i)我们提出了一个用于计算 $\text{MOD}_m^n$ 的最优量子算法,对于 $1 < m \le n$,查询复杂度为 $\lceil n(1-\frac{1}{m}) \rceil$。这解决了 Cornelissen,Mande,Ozols 和 de Wolf (2021) 提出的一个猜想。基于该算法,我们证明了将 $\{0,1\}^n$ 映射到有限集 $X$ 的广泛类对称函数的精确量子查询复杂度小于 $n$。ii)当 $l-k \ge 2$ 时,对于 $k=0$ 或 $k=1,l=n-1$ 的情况,我们给出了计算 $\text{EXACT}_{k,l}^n$ 的最优精确量子查询算法。这部分地解决了 Ambainis,Iraids 和 Nagaj (2017)提出的猜想。

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