We consider the time and space required for quantum computers to solve a wide variety of problems involving matrices, many of which have only been analyzed classically in prior work. Our main results show that for a range of linear algebra problems -- including matrix-vector product, matrix inversion, matrix multiplication and powering -- existing classical time-space tradeoffs, several of which are tight for every space bound, also apply to quantum algorithms. For example, for almost all matrices $A$, including the discrete Fourier transform (DFT) matrix, we prove that quantum circuits with at most $T$ input queries and $S$ qubits of memory require $T=\Omega(n^2/S)$ to compute matrix-vector product $Ax$ for $x \in \{0,1\}^n$. We similarly prove that matrix multiplication for $n\times n$ binary matrices requires $T=\Omega(n^3 / \sqrt{S})$. Because many of our lower bounds match deterministic algorithms with the same time and space complexity, we show that quantum computers cannot provide any asymptotic advantage for these problems with any space bound. We obtain matching lower bounds for the stronger notion of quantum cumulative memory complexity -- the sum of the space per layer of a circuit. We also consider Boolean (i.e. AND-OR) matrix multiplication and matrix-vector products, improving the previous quantum time-space tradeoff lower bounds for $n\times n$ Boolean matrix multiplication to $T=\Omega(n^{2.5}/S^{1/4})$ from $T=\Omega(n^{2.5}/S^{1/2})$. Our improved lower bound for Boolean matrix multiplication is based on a new coloring argument that extracts more from the strong direct product theorem used in prior work. Our tight lower bounds for linear algebra problems require adding a new bucketing method to the recording-query technique of Zhandry that lets us apply classical arguments to upper bound the success probability of quantum circuits.


翻译:我们研究了量子计算机解决各类矩阵问题所需的时间和空间复杂度,其中许多问题此前仅从经典计算角度被分析过。我们的主要结果表明,对于一系列线性代数问题——包括矩阵-向量乘积、矩阵求逆、矩阵乘法与幂运算——现有的经典时空权衡关系(其中多个结果对所有空间界限都是紧致的)同样适用于量子算法。例如,对于几乎所有矩阵$A$(包括离散傅里叶变换矩阵),我们证明:具有至多$T$次输入查询和$S$量子比特内存的量子电路,需要满足$T=\\Omega(n^2/S)$才能计算$x \\in \\{0,1\\}^n$时的矩阵-向量乘积$Ax$。类似地,我们证明$n\\times n$二元矩阵的矩阵乘法需要满足$T=\\Omega(n^3 / \\sqrt{S})$。由于我们的许多下界与具有相同时空复杂度的确定性算法相匹配,这表明量子计算机在任何空间界限下都无法为这些问题提供任何渐近优势。我们还针对更强的量子累积内存复杂度概念(电路每层空间之和)获得了匹配的下界。此外,我们研究了布尔矩阵(即AND-OR运算)乘法和矩阵-向量乘积,将$n\\times n$布尔矩阵乘法的先前量子时空权衡下界从$T=\\Omega(n^{2.5}/S^{1/2})$改进至$T=\\Omega(n^{2.5}/S^{1/4})$。我们对布尔矩阵乘法的改进下界基于新的着色论证,该论证从先前工作中使用的强直积定理中提取了更多信息。我们针对线性代数问题的紧致下界需要在Zhandry的记录查询技术中引入新的分桶方法,这使得我们能够应用经典论证来上界量子电路的成功概率。

0
下载
关闭预览

相关内容

FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
29+阅读 · 2022年3月28日
Arxiv
31+阅读 · 2021年6月30日
Adaptive Synthetic Characters for Military Training
Arxiv
50+阅读 · 2021年1月6日
Domain Representation for Knowledge Graph Embedding
Arxiv
14+阅读 · 2019年9月11日
VIP会员
相关资讯
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
相关论文
Arxiv
29+阅读 · 2022年3月28日
Arxiv
31+阅读 · 2021年6月30日
Adaptive Synthetic Characters for Military Training
Arxiv
50+阅读 · 2021年1月6日
Domain Representation for Knowledge Graph Embedding
Arxiv
14+阅读 · 2019年9月11日
相关基金
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员