We show that, in the black-box setting, the behavior of quantum polynomial-time ($\mathsf{BQP}$) can be remarkably decoupled from that of classical complexity classes like $\mathsf{NP}$. Specifically: -There exists an oracle relative to which $\mathsf{NP^{BQP}}\not\subset\mathsf{BQP^{PH}}$, resolving a 2005 problem of Fortnow. As a corollary, there exists an oracle relative to which $\mathsf{P}=\mathsf{NP}$ but $\mathsf{BQP}\neq\mathsf{QCMA}$. -Conversely, there exists an oracle relative to which $\mathsf{BQP^{NP}}\not\subset\mathsf{PH^{BQP}}$. -Relative to a random oracle, $\mathsf{PP}=\mathsf{PostBQP}$ is not contained in the "$\mathsf{QMA}$ hierarchy" $\mathsf{QMA}^{\mathsf{QMA}^{\mathsf{QMA}^{\cdots}}}$, and more generally $\mathsf{PP}\not\subset (\mathsf{MIP}^*)^{(\mathsf{MIP}^*)^{(\mathsf{MIP}^*)^{\cdots}}}$ (!), despite the fact that $\mathsf{MIP}^*=\mathsf{RE}$ in the unrelativized world. This result shows that there is no black-box quantum analogue of Stockmeyer's approximate counting algorithm. -Relative to a random oracle, $\mathsf{\Sigma}_{k+1}^\mathsf{P}\not\subset\mathsf{BQP}^{\mathsf{\Sigma}_{k}^\mathsf{P}}$ for every $k$. -There exists an oracle relative to which $\mathsf{BQP}=\mathsf{P^{\# P}}$ and yet $\mathsf{PH}$ is infinite. -There exists an oracle relative to which $\mathsf{P}=\mathsf{NP}\neq\mathsf{BQP}=\mathsf{P^{\# P}}$. To achieve these results, we build on the 2018 achievement by Raz and Tal of an oracle relative to which $\mathsf{BQP}\not \subset \mathsf{PH}$, and associated results about the Forrelation problem. We also introduce new tools that might be of independent interest. These include a "quantum-aware" version of the random restriction method, a concentration theorem for the block sensitivity of $\mathsf{AC^0}$ circuits, and a (provable) analogue of the Aaronson-Ambainis Conjecture for sparse oracles.


翻译:我们显示,在黑盒子设置中, 量性聚度- 时间 (=mathsf{BQP}$) 的行为可以与古典复杂类( 如$\mathsf{NP{BQ} not\subset\mathfsf{BQP}} PQP} 美元明显脱钩。 具体地说: - 存在一个与$mathsffsf{PQP} 相比的星座, 解决了2005年的福特问题 。 作为必然结果, 存在一个相对的星座, 美元\masfff{BQ} PQPQP} 美元, 但 $\mas{B}neq\\\\\mas=mas=mas=mas=mas=mas==mas=mas====masmas===mas=====mas==masmas==========mamas=====masmamas amas bas============mamamamas======mamamamamas bsasasasasasasasasasasasasasasasasasasasasasass basasasasasasasasasass as as as as==============================================================================================================================================================================================

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