In this paper, we study the problem of model-checking quantum pushdown systems from a computational complexity point of view. We arrive at the following equally important, interesting new results: We first extend the notions of the {\it probabilistic pushdown systems} and {\it Markov chains} to their quantum counterparts, i.e., {\em quantum pushdown system (qPDS)} and {\em quantum Markov chains}, and prove a necessary and sufficient condition for a qPDS to be well formed, also presenting a method to extend the local transition function of a well-formed qPDS to a unitary local time evolution operator. Next, we investigate the question of whether it is necessary to define a quantum analogue of {\it probabilistic computational tree logic} to describe the probabilistic and branching-time properties of the {\it quantum Markov chain}. We study its model-checking question and show that model-checking of {\it generalized stateless quantum pushdown systems (gqBPA)} against {\it probabilistic computational tree logic (PCTL)} is generally undecidable, i.e., there exists no algorithm for model-checking {\it generalized stateless quantum pushdown systems (gqBPA)} against {\it probabilistic computational tree logic}. We then study in which case there exists an algorithm for model-checking {\it stateless quantum pushdown systems} and show that the problem of model-checking {\it stateless quantum pushdown systems (qBPA)} against {\it bounded probabilistic computational tree logic} (bPCTL) is decidable, and further show that this problem is in $\mathit{NP}$-hard. Our reduction is from the {\it bounded Post Correspondence Problem} for the first time, a well-known $\mathit{NP}$-complete problem.


翻译:本文从计算复杂性角度研究量子下推系统的模型检验问题。我们取得了以下同等重要且有趣的新结果:首先,我们将**概率下推系统**与**马尔可夫链**的概念扩展至其量子对应物,即**量子下推系统(qPDS)**与**量子马尔可夫链**,并证明了qPDS良构的充分必要条件,同时提出了一种将良构qPDS的局部转移函数扩展为幺正局部时间演化算子的方法。其次,我们探讨了是否需要定义**概率计算树逻辑**的量子类比以描述**量子马尔可夫链**的概率性与分支时间性质。我们研究了其模型检验问题,并证明**广义无状态量子下推系统(gqBPA)**对**概率计算树逻辑(PCTL)**的模型检验通常是不可判定的,即不存在针对**广义无状态量子下推系统(gqBPA)**对**概率计算树逻辑**的模型检验算法。随后,我们研究了在何种情况下存在**无状态量子下推系统**的模型检验算法,并证明**无状态量子下推系统(qBPA)**对**有界概率计算树逻辑(bPCTL)**的模型检验问题是可判定的,且进一步证明该问题属于$\mathit{NP}$难问题。我们的归约首次源于**有界波斯特对应问题**——一个著名的$\mathit{NP}$完全问题。

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