การคำนวณควอนตัมแบบอะเดียแบติกสามารถเร็วกว่าอัลกอริธึมของโกรเวอร์ได้หรือไม่?


19

ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าการประมวลผลควอนตัมแบบอะเดียแบติกเทียบเท่ากับ "มาตรฐาน" หรือการคำนวณควอนตัมแบบเกท อย่างไรก็ตามการคำนวณแบบอะเดียแบติกแสดงให้เห็นถึงสัญญาสำหรับปัญหาการปรับให้เหมาะสมซึ่งวัตถุประสงค์คือเพื่อลด (หรือขยาย) ฟังก์ชั่นที่เกี่ยวข้องกับปัญหาอย่างใดอย่างหนึ่งนั่นคือการค้นหาอินสแตนซ์ที่ย่อเล็กสุด ปัญหา.

ตอนนี้สำหรับฉันแล้วดูเหมือนว่าอัลกอริทึมของ Grover สามารถทำสิ่งเดียวกันได้โดยการค้นหาพื้นที่ของโซลูชันมันจะหาวิธีแก้ปัญหาหนึ่ง (ซึ่งอาจจะเป็นทางออกหลายอย่าง) ซึ่งเป็นไปตามเกณฑ์พยากรณ์ของออราเคิลซึ่งในกรณีนี้ ในเวลาโดยที่NO(N)Nคือขนาดของพื้นที่โซลูชัน

อัลกอริทึมนี้ได้รับการแสดงว่าเหมาะสมที่สุด: ตาม Bennett และคณะ (1997) กล่าวว่า "คลาสไม่สามารถแก้ไขได้บนเครื่องควอนตัมทัวริงในเวลาo ( 2 n / 2 ) " ในความเข้าใจของฉันนี่หมายความว่าไม่มีวิธีสร้างอัลกอริทึมควอนตัมใด ๆ ที่ค้นหาวิธีแก้ปัญหาด้วยการค้นหาพื้นที่เร็วกว่าO ( √)NPo(2n/2)โดยที่Nปรับขนาดด้วยปัญหาO(N)N

ดังนั้นคำถามของฉันคือ: ในขณะที่การคำนวณควอนตัมแบบอะเดียแบติกมักจะแสดงให้เห็นว่าดีกว่าเมื่อพูดถึงปัญหาการปรับให้เหมาะสมจริง ๆ แล้วมันจะเร็วกว่า? ถ้าใช่สิ่งนี้ดูเหมือนจะขัดแย้งกับการหาค่าเหมาะที่สุดของอัลกอริทึมของ Grover เนื่องจากอัลกอริธึมแบบอะเดียแบติกสามารถถูกจำลองโดยวงจรควอนตัม ถ้าไม่จุดประสงค์ของการพัฒนาอัลกอริธึมอะเดียแบติกคืออะไรถ้ามันไม่เคยเร็วกว่าสิ่งที่เราสามารถสร้างขึ้นด้วยวงจรอย่างเป็นระบบ หรือมีบางอย่างผิดปกติกับความเข้าใจของฉัน?O(N)

คำตอบ:


7

คำถามที่ดี. สำหรับการค้นหาที่ไม่มีโครงสร้างการคำนวณควอนตัมอะเดียแบติกให้แน่นอนเหมือนกัน speedup ว่าอัลกอริทึมมาตรฐานประตูตามโกรเวอร์ไม่เป็นที่พิสูจน์แล้วในนี้Nกระดาษที่สำคัญโดย Roland และ Cerf สิ่งนี้เห็นด้วยกับการเทียบเท่าระหว่างการคำนวณควอนตัมแบบอะเดียแบติกและแบบเกตที่คุณกล่าวถึง

(การแก้ไขเล็กน้อยสำหรับคำถามของคุณ: คุณถูกต้องว่าในการตั้งค่าสำหรับปัญหา oracle-search คุณต้องกำหนดกรอบการค้นหาของคุณเป็นคำถามใช่ / ไม่ใช่ที่ oracle สามารถตอบได้ แต่คำถามไม่ได้ถูกนำมาใช้จริง จะเป็น "ทำขยายฟังก์ชันf ( x )หรือไม่" ตามที่คุณเสนอ แต่มันคือ "คือf ( x )น้อยกว่าหรือเท่ากับM " ดูภาพนิ่งที่ 9 และ 10 ที่นี่นั่นเป็นเพราะ oracle สำหรับหลัง คำถามนั้นถือเป็นแบบจำลองที่เหมือนจริงมากขึ้นสำหรับการตั้งค่าทางกายภาพเป็นไปได้ว่าเราสามารถคำนวณหรือวัด f ( x ) ได้โดยตรง สำหรับx ที่กำหนดxf(x)f(x)Mf(x)xโดยตรงแต่ )f(x)fmin

อย่างไรก็ตามมีข้อได้เปรียบสองประการที่อาจเกิดขึ้นกับ QC แบบอะเดียแบติกซึ่งทั้งสองวิธีนั้นยากที่จะศึกษาในทางทฤษฎี สิ่งแรกคือในทางปฏิบัติ: จริง ๆ แล้วการสร้างวงจรควอนตัมขนาดใหญ่ที่เชื่อมโยงกันเป็นเรื่องยากมากที่เพิ่งวาดพวกเขาในบทความวารสาร แม้ว่า QC แบบอะเดียแบติกไม่ได้มีข้อได้เปรียบพื้นฐานใด ๆจากการตั้งค่าแบบดั้งเดิม แต่อาจจะง่ายกว่ามากในการใช้การทดลอง

ประการที่สองข้อแม้ขนาดใหญ่เดียวกันนี้นำไปใช้กับ AQC กับอัลกอริทึมของ Grover มาตรฐาน: ใช้ได้กับเท่านั้น โครงสร้างที่ไม่มีโครงสร้างหรือ "กล่องดำ" เท่านั้นซึ่งเราไม่สนใจความสัมพันธ์ใด ๆ ระหว่างคำตอบที่ Oracle ให้เมื่อป้อนใน ข้อความค้นหาที่เกี่ยวข้อง ปัญหาการค้นหาจริงใด ๆ ที่เราใส่ใจโดยนิยามจะมีโครงสร้างบางอย่างแม้ว่าโครงสร้างนี้อาจซับซ้อนเกินกว่าที่เราจะวิเคราะห์ได้ ตัวอย่างเช่นถ้าเราคิดว่าฟังก์ชั่นจะถูกทำให้สุดขั้วเป็นแนวพลังงานดูเหมือนว่ามีเหตุผลที่ระบบสามารถอุโมงค์ระหว่าง "ท้องถิ่น" ใกล้เคียงกับมินิมาน้อยกว่าระหว่าง "ไกล"


คำตอบที่ยอดเยี่ยมขอบคุณมาก! อีกอย่างหนึ่ง: คุณหมายถึงอะไรโดย "เอาชนะอุปสรรคความสัมพันธ์"?
Dyon J Don Kiwi van Vreumingen

@ DonKiwi นั่นเป็นศัพท์แสง CS ทางทฤษฎีที่แปลก บ่อยครั้งที่เราไม่สามารถหาข้อพิสูจน์สำหรับการอ้างสิทธิ์ได้ แต่เราสามารถพิสูจน์เมตาผลลัพธ์เกี่ยวกับชนิดของการพิสูจน์ที่จะหรือไม่ทำงานเพื่อพิสูจน์ข้อเรียกร้อง "สิ่งกีดขวาง" หมายถึงผลลัพธ์ที่หลักฐานอันกว้างขวางบางประเภทไม่มีประสิทธิภาพเพียงพอที่จะพิสูจน์การอ้างสิทธิ์ได้ ตัวอย่างเช่นข้อพิสูจน์ใด ๆ ว่าอัลกอริทึมการค้นหาเฉพาะสำหรับปัญหาเชิงโครงสร้างนั้นให้ผลเร็วกว่ายังไม่มีข้อความการเร่งความเร็วจะต้องใช้ประโยชน์จากรายละเอียดของโครงสร้างปัญหาเฉพาะ - เพราะหากไม่เป็นเช่นนั้นก็ไม่สามารถทำได้เร็วกว่าอัลกอริธึมของ Grover
tparker

which has been proven to be optimal for unstructured search. That's what it means that the proof would need to "overcome the relativization barrier". Similarly, there exists an oracle O relative to which PO=NPO, so any prove that PNP cannot relativize either (it can't use oracles). Remarkably, some proofs do relativize; for example, the proof of the time hierarchy theorem. This means that not only is PEXPTIME, but POEXPTIMEO for any oracle O!
tparker

Ah, this makes sense now. I'll be really interested to see any developments in this area.
Dyon J Don Kiwi van Vreumingen

2

Adiabatic quantum computation cannot do anything faster than circuit-based quantum computation from a computational complexity perspective. This is because there is a mathematical proof that circuit-based quantum computation can efficiently simulate adiabatic quantum computation [see section 5 of this paper].

can it really be faster than O(N)?

The answer is no. This is because if AQC could do it in, say, O(logN), then circuit-based QC could also do it in O(logN) by the algorithm in section 5 of the paper I linked above. This would violate the optimality of O(N) for unstructured search.


I wonder where the downvote came from...
user1271772
โดยการใช้ไซต์ของเรา หมายความว่าคุณได้อ่านและทำความเข้าใจนโยบายคุกกี้และนโยบายความเป็นส่วนตัวของเราแล้ว
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.