Complexity theory traditionally studies the hardness of solving classical computational problems. In the quantum setting, it is also natural to consider a different notion of complexity, namely the complexity of physically preparing a certain quantum state. We study the relation between two such state complexity classes: statePSPACE, which contains states that can be generated by space-uniform polynomial-space quantum circuits, and stateQIP, which contains states that a polynomial-time quantum verifier can generate by interacting with an all-powerful untrusted quantum prover. The latter class was recently introduced by Rosenthal and Yuen (ITCS 2022), who proved that statePSPACE $\subseteq$ stateQIP. Our main result is the reverse inclusion, stateQIP $\subseteq$ statePSPACE, thereby establishing equality of the two classes and providing a natural state-complexity analogue to the celebrated QIP = PSPACE theorem of Jain, et al. (J. ACM 2011). To prove this, we develop a polynomial-space quantum algorithm for solving exponentially large "PSPACE-computable" semidefinite programs (SDPs), which also prepares an optimiser encoded in a quantum state. Our SDP solver relies on recent block-encoding techniques from quantum algorithms, demonstrating that these techniques are also useful for complexity theory. Using similar techniques, we also show that optimal prover strategies for general quantum interactive protocols can be implemented in quantum polynomial space. We prove this by studying an algorithmic version of Uhlmann's theorem and establishing an upper bound on the complexity of implementing Uhlmann transformations.


翻译:传统的复杂度理论研究经典计算问题的难度。 在量子环境下, 也自然会考虑不同的复杂度概念, 即物理准备一定量子状态的复杂性。 我们研究两种类似州复杂度类别之间的关系: 州PSPACE, 其中包括空间统一多球- 空间量子电路可以生成的状态; 州QIP, 提供自然的状态兼容性模拟, 庆祝的 QIP = PSPACE 用于 Jain 等的有用量子体( J. ACM 2011) 。 为了证明这一点, 罗森塔尔和尤恩( ITS 2022)最近引入了后一类。 他证明, 状态是“ PSPACACE $\ subsecseqeq$ state QIP。 我们的主要结果是反向包容, 州QIP $subsecreteqretemeemerequestal Producedustrual Productions theiral- producealal- squal- demologyal demologyal Supal Supal Syals, 们也可以化了“ ” 也证明, 一种自然兼容性比较。 我们的系统, 我们的阵式的阵式的系统也可以化了。

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