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: $\text{MOD}_m^n(x) = |x| \bmod m$ and $$ \text{EXACT}_{k,l}^n(x) = \begin{cases} 1, &\text{if }|x| \in \{k,l\}, \\ 0, &\text{otherwise}, \end{cases} $$ where $|x|$ is the number of $1$'s in $x$. Our results are as follows: \begin{itemize} \item We present an optimal quantum algorithm for computing $\Mod_m^n$, 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 $\B^n$ to a finite set $X$ is less than $n$. \item 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. \end{itemize}


翻译:查询模型引起了经典和量子计算社区的极大兴趣。通常,展示量子算法的查询复杂度比其经典对应物更好是展现量子优势的方法之一。精确量子查询算法在开发量子算法方面发挥了关键作用。例如,Deutsch-Jozsa算法对比于经典确定性算法展示了指数级的量子优势。作为一种重要的复杂度度量,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少查询次数。在本文中,我们研究了以下两个$n$位对称函数的精确量子查询复杂度:$\text{MOD}_m^n(x) = |x| \bmod m$ 和$$\text{EXACT}_{k,l}^n(x) = \begin{cases} 1, &\text{if }|x| \in \{k,l\}, \\ 0, &\text{otherwise}, \end{cases}$$其中,$|x|$是$x$中$1$的数量。我们的结果如下:\begin{itemize} \item 我们提出了一种计算$\Mod_m^n$的最优量子算法,对于$1 < m \le n$,它达到了查询复杂度为$\lceil n(1-\frac{1}{m}) \rceil$。这解决了 Cornelissen、Mande、Ozols和de Wolf(2021)提出的猜想。基于这个算法,我们还证明了将$\B^n$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$n$。 \item 当$l-k \ge 2$时,我们为$k=0$或$k=1,l=n-1$ 的情况提出了一个最优精确量子查询算法来计算$\text{EXACT}_{k,l}^n$。这在某种程度上解决了Ambainis、Iraids和Nagaj (2017)提出的假设。 \end{itemize}

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