Understanding the power of quantum supremacy experiments is one of the most pressing topics in the NISQ era. In this work we make progress toward bridging the remaining gaps between theory and experiment, incorporating the effects of experimental noise into the theoretical hardness arguments. First, we improve the robustness of prior hardness results in this area. For random circuit sampling, we show that computing the output probability of an $m$-gate random quantum circuit to within additive imprecision $2^{-O(m\log m)}$ is $\#\mathsf{P}$-hard, an exponential improvement over the prior hardness results of Bouland et al. and Movassagh which were resistant to imprecision $2^{-O(m^3)}$. This nearly reaches the threshold ($2^{-O(m)}$) sufficient to establish the hardness of sampling for constant-depth random circuits. For BosonSampling, we show $\#\mathsf{P}$-hardness of computing output probabilities of $n$-photon $m=\text{poly}(n)$ mode BosonSampling experiments to additive error $2^{-O(n\log n)}$. This is within a constant factor in the exponent of the robustness required for hardness of sampling. To prove these results we introduce a new robust Berlekamp-Welch argument over the Reals, and moreover substantially simplify prior robustness arguments. Second, we show that in the random circuit sampling case, these results are still true in the presence of a constant rate of noise, so long as the noise rate is below the error detection threshold. That is, even though random circuits with a constant noise rate converge rapidly to the maximally mixed state, the small deviations in their output probabilities away from uniform remain difficult to compute. Interestingly, we then show that our results are in tension with one another, and the latter result implies the former is essentially optimal with respect to additive imprecision, even with generalizations of our techniques.


翻译:了解量子霸权实验的力量是 NISQ 时代最紧迫的话题之一。 在这项工作中,我们在缩小理论和实验之间剩余差距方面取得进展, 将实验噪音的影响纳入理论硬度争论。 首先, 我们提高先前硬度的临界值。 对于随机电路取样, 我们显示计算美元门随机量电路的输出概率到添加不精确度 2 美元- O( m\log)} 范围内的随机量子电路。 我们计算输出的直径为 $mathfsf{P} 硬 。 相对于 Bouland 等人 和 Movassagh 之前的随机性结果, 将实验的精确度纳入理论的理论范围。 精确性电流率的快速率接近临界值 ( $- O( m) 美元), 直径直径直到 直径直流率的硬性电流率 。 直径直流的硬性电流率 直径直径直径直到直径直的硬性直径直径直的直径直径直径直径直直直直的直直的直直的直方的直径直径直方的直方的直直直直直的直直直的直的直直直直的直的直的直直的直的直的直直的直的直的直直直直直直直直的直的直的直的直的直直直直直直直直直的直的直的直到直到直到直到直到直到直的直的直的直的直直方的直直直方的直方的直方的直方的直方的直方的直到直的直的直的直的直直方的直直方的直的直的直的直方的直方的直的直方的直方的直的直的直的直的直的直的直的直的直的直的直的直的直方的直方的直方的直方的直方的直方的直方的直方的直方的直方的直方的直方的直方的直方的直方的直方的直方的直方方的直方的直方方方方的直方的直方方的直方的直方

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