In this work, we initiate the study of the Minimum Circuit Size Problem (MCSP) in the quantum setting. MCSP is a problem to compute the circuit complexity of Boolean functions. It is a fascinating problem in complexity theory -- its hardness is mysterious, and a better understanding of its hardness can have surprising implications to many fields in computer science. We first define and investigate the basic complexity-theoretic properties of minimum quantum circuit size problems for three natural objects: Boolean functions, unitaries, and quantum states. We show that these problems are not trivially in NP but in QCMA (or have QCMA protocols). Next, we explore the relations between the three quantum MCSPs and their variants. We discover that some reductions that are not known for classical MCSP exist for quantum MCSPs for unitaries and states, e.g., search-to-decision reduction and self-reduction. Finally, we systematically generalize results known for classical MCSP to the quantum setting (including quantum cryptography, quantum learning theory, quantum circuit lower bounds, and quantum fine-grained complexity) and also find new connections to tomography and quantum gravity. Due to the fundamental differences between classical and quantum circuits, most of our results require extra care and reveal properties and phenomena unique to the quantum setting. Our findings could be of interest for future studies, and we post several open problems for further exploration along this direction.
翻译:在这项工作中,我们开始在量子设置中研究最低电路规模问题(MCSP) 。 MCSP是一个计算布林函数电路复杂性的问题。 这是一个复杂理论中令人着迷的问题, 它的硬性是神秘的, 更好地了解其硬性会对计算机科学的许多领域产生惊人的影响。 我们首先定义和调查三个自然物体( 布林函数、 单位和量子状态) 最小量子电路规模问题的基本复杂性理论性能。 我们显示这些问题在NP 中不是微不足道的,而是QCMA( 或有QCMA协议) 。 接下来, 我们探索三个量子 MSP 及其变体之间的关系。 我们发现, 经典的 MSP 的硬性能对于计算机科学的许多领域来说并不为人所知。 例如, 搜索到决定的减少和自我缩减。 最后, 我们系统化的经典 MCSP 将已知的结果推广到量子设置( 包括量子加密、 量子学习理论、 量子电路底线、 量子链- 精度组合和 变异性 之间的关系。 我们还需要找到新的量质和 质和 质变变变的理论和 和 质的特性, 的特性的新的联系, 需要到我们 的特性和 和 的特性和 的特性的特性的新的联系, 和 和 的特性的 和 和 的特性的特性的特性 和 和 的 的 的 的 和 的 的 的 的 和 和 的 的 的 的 的 的 的 的 的 和 和 的 和 和 的 的 的 的 的 的 的 的 的 和 和 和 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 和 的 的 的 和 和 的 的 的 的 的 的 和 的 的 和 的 的 的 的 的 的 的 的 的 和 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 和 和 和 的 的 的 的 的 的 的 的