Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна...

113
Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения. Лекция 5: Нижние оценки квантовой коммуникационной сложности. Другие модели коммуникации М. Вялый Вычислительный центр им. А.А.Дородницына Российской Академии наук Санкт-Петербург, 2011 М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 1 / 29

Upload: cs-center

Post on 13-Apr-2017

113 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Квантовые алгоритмы:возможности и ограничения.

Лекция 5: Нижние оценки квантовойкоммуникационной сложности. Другие модели

коммуникации

М. Вялый

Вычислительный центрим. А.А.Дородницына

Российской Академии наук

Санкт-Петербург, 2011

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 1 / 29

Page 2: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

План

1 Нижние оценки квантовой коммуникационной сложности

2 Нижняя оценка для функции пересечения множеств

3 Модель коммуникации SMP

4 Квантовая (псевдо-)телепатия

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 2 / 29

Page 3: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Разложение Яо – Кремера

. . .

. . .

. . .

. . .

. . .

. . .

. . .

. . .

. . .

. . .

. . .

U1 U3

U2 U`

|0〉

|0, x〉A

|0, y〉B

ТеоремаСостояние квантовой памяти после ` раундов общения с передачей поодному кубиту представляется в виде

|ψ〉 =∑

m∈0,1`

|αm〉A ⊗ |m`〉 ⊗ |βm〉B ,

где |αm| 6 1, |βm| 6 1, а m` — последний бит двоичной строки m.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 3 / 29

Page 4: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Разложение Яо – Кремера: доказательство

Индукция по длине протокола.Начальное состояние |x , 0〉A ⊗ |0〉 ⊗ |0, y〉B разложимо.Пусть после ` раундов состояние имеет вид

|ψ〉 =∑

m∈0,1`

|αm〉A ⊗ |m`〉 ⊗ |βm〉B .

Рассмотрим случай четного ` (следующий ход Алисы). Получаем:

U`+1|αm〉A ⊗ |m`〉 = |α′m0〉 ⊗ |0〉+ |α′m1〉 ⊗ |1〉,|α′m0|2 + |α′m1|2 = |αm|2 6 1,

U`+1|ψ〉 =∑

m∈0,1`+1

|α′m〉A ⊗ |m`+1〉 ⊗ |β′m〉B ,

где |β′m0〉 = |β′m1〉 = |βm〉.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 4 / 29

Page 5: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Разложение Яо – Кремера: доказательство

Индукция по длине протокола.Начальное состояние |x , 0〉A ⊗ |0〉 ⊗ |0, y〉B разложимо.Пусть после ` раундов состояние имеет вид

|ψ〉 =∑

m∈0,1`

|αm〉A ⊗ |m`〉 ⊗ |βm〉B .

Рассмотрим случай четного ` (следующий ход Алисы). Получаем:

U`+1|αm〉A ⊗ |m`〉 = |α′m0〉 ⊗ |0〉+ |α′m1〉 ⊗ |1〉,|α′m0|2 + |α′m1|2 = |αm|2 6 1,

U`+1|ψ〉 =∑

m∈0,1`+1

|α′m〉A ⊗ |m`+1〉 ⊗ |β′m〉B ,

где |β′m0〉 = |β′m1〉 = |βm〉.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 4 / 29

Page 6: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Разложение Яо – Кремера: доказательство

Индукция по длине протокола.Начальное состояние |x , 0〉A ⊗ |0〉 ⊗ |0, y〉B разложимо.Пусть после ` раундов состояние имеет вид

|ψ〉 =∑

m∈0,1`

|αm〉A ⊗ |m`〉 ⊗ |βm〉B .

Рассмотрим случай четного ` (следующий ход Алисы). Получаем:

U`+1|αm〉A ⊗ |m`〉 = |α′m0〉 ⊗ |0〉+ |α′m1〉 ⊗ |1〉,|α′m0|2 + |α′m1|2 = |αm|2 6 1,

U`+1|ψ〉 =∑

m∈0,1`+1

|α′m〉A ⊗ |m`+1〉 ⊗ |β′m〉B ,

где |β′m0〉 = |β′m1〉 = |βm〉.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 4 / 29

Page 7: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Разложение Яо – Кремера: доказательство

Индукция по длине протокола.Начальное состояние |x , 0〉A ⊗ |0〉 ⊗ |0, y〉B разложимо.Пусть после ` раундов состояние имеет вид

|ψ〉 =∑

m∈0,1`

|αm〉A ⊗ |m`〉 ⊗ |βm〉B .

Рассмотрим случай четного ` (следующий ход Алисы). Получаем:

U`+1|αm〉A ⊗ |m`〉 = |α′m0〉 ⊗ |0〉+ |α′m1〉 ⊗ |1〉,|α′m0|2 + |α′m1|2 = |αm|2 6 1,

U`+1|ψ〉 =∑

m∈0,1`+1

|α′m〉A ⊗ |m`+1〉 ⊗ |β′m〉B ,

где |β′m0〉 = |β′m1〉 = |βm〉.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 4 / 29

Page 8: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Разложение Яо – Кремера: доказательство

Индукция по длине протокола.Начальное состояние |x , 0〉A ⊗ |0〉 ⊗ |0, y〉B разложимо.Пусть после ` раундов состояние имеет вид

|ψ〉 =∑

m∈0,1`

|αm〉A ⊗ |m`〉 ⊗ |βm〉B .

Рассмотрим случай четного ` (следующий ход Алисы). Получаем:

U`+1|αm〉A ⊗ |m`〉 = |α′m0〉 ⊗ |0〉+ |α′m1〉 ⊗ |1〉,|α′m0|2 + |α′m1|2 = |αm|2 6 1,

U`+1|ψ〉 =∑

m∈0,1`+1

|α′m〉A ⊗ |m`+1〉 ⊗ |β′m〉B ,

где |β′m0〉 = |β′m1〉 = |βm〉.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 4 / 29

Page 9: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Разложение Яо – Кремера: доказательство

Индукция по длине протокола.Начальное состояние |x , 0〉A ⊗ |0〉 ⊗ |0, y〉B разложимо.Пусть после ` раундов состояние имеет вид

|ψ〉 =∑

m∈0,1`

|αm〉A ⊗ |m`〉 ⊗ |βm〉B .

Рассмотрим случай четного ` (следующий ход Алисы). Получаем:

U`+1|αm〉A ⊗ |m`〉 = |α′m0〉 ⊗ |0〉+ |α′m1〉 ⊗ |1〉,|α′m0|2 + |α′m1|2 = |αm|2 6 1,

U`+1|ψ〉 =∑

m∈0,1`+1

|α′m〉A ⊗ |m`+1〉 ⊗ |β′m〉B ,

где |β′m0〉 = |β′m1〉 = |βm〉.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 4 / 29

Page 10: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Разложение Яо – Кремера: доказательство

Индукция по длине протокола.Начальное состояние |x , 0〉A ⊗ |0〉 ⊗ |0, y〉B разложимо.Пусть после ` раундов состояние имеет вид

|ψ〉 =∑

m∈0,1`

|αm〉A ⊗ |m`〉 ⊗ |βm〉B .

Рассмотрим случай четного ` (следующий ход Алисы). Получаем:

U`+1|αm〉A ⊗ |m`〉 = |α′m0〉 ⊗ |0〉+ |α′m1〉 ⊗ |1〉,|α′m0|2 + |α′m1|2 = |αm|2 6 1,

U`+1|ψ〉 =∑

m∈0,1`+1

|α′m〉A ⊗ |m`+1〉 ⊗ |β′m〉B ,

где |β′m0〉 = |β′m1〉 = |βm〉.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 4 / 29

Page 11: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Разложение Яо – Кремера: доказательство

Индукция по длине протокола.Начальное состояние |x , 0〉A ⊗ |0〉 ⊗ |0, y〉B разложимо.Пусть после ` раундов состояние имеет вид

|ψ〉 =∑

m∈0,1`

|αm〉A ⊗ |m`〉 ⊗ |βm〉B .

Рассмотрим случай четного ` (следующий ход Алисы). Получаем:

U`+1|αm〉A ⊗ |m`〉 = |α′m0〉 ⊗ |0〉+ |α′m1〉 ⊗ |1〉,|α′m0|2 + |α′m1|2 = |αm|2 6 1,

U`+1|ψ〉 =∑

m∈0,1`+1

|α′m〉A ⊗ |m`+1〉 ⊗ |β′m〉B ,

где |β′m0〉 = |β′m1〉 = |βm〉.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 4 / 29

Page 12: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Матрица положительных ответов

pxy — вероятность ответа 1 на входе x , y ; x ∈ X , y ∈ Y .

ЛеммаДля протокола длины ` выполняется

pxy =22`−2−1∑

k=0

ax ,k · by ,k , |ax ,k | 6 1, |bx ,k | 6 1.

ДоказательствоИз (∗) вероятность наблюдения исхода 1

pxy =∑

m′,m′′

〈αm′1|αm′′1〉 · 〈βm′1|βm′′1〉

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 5 / 29

Page 13: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Матрица положительных ответов

pxy — вероятность ответа 1 на входе x , y ; x ∈ X , y ∈ Y .

P = (pxy ) — матрица положительных ответов.

ЛеммаДля протокола длины ` выполняется

pxy =22`−2−1∑

k=0

ax ,k · by ,k , |ax ,k | 6 1, |bx ,k | 6 1.

ДоказательствоИз (∗) вероятность наблюдения исхода 1

pxy =∑

m′,m′′

〈αm′1|αm′′1〉 · 〈βm′1|βm′′1〉

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 5 / 29

Page 14: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Матрица положительных ответов

pxy — вероятность ответа 1 на входе x , y ; x ∈ X , y ∈ Y .

P = (pxy ) — матрица положительных ответов.

ЛеммаДля протокола длины ` выполняется

pxy =22`−2−1∑

k=0

ax ,k · by ,k , |ax ,k | 6 1, |bx ,k | 6 1.

ДоказательствоИз (∗) вероятность наблюдения исхода 1

pxy =∑

m′,m′′

〈αm′1|αm′′1〉 · 〈βm′1|βm′′1〉

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 5 / 29

Page 15: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Матрица положительных ответов

Разложение Яо – Кремера |ψ〉 =∑

m∈0,1`

|αm〉A ⊗ |m`〉 ⊗ |βm〉B =

=∑

m∈0,1`−1

|αm0〉A ⊗ |0〉 ⊗ |βm0〉B +∑

m∈0,1`−1

|αm1〉A ⊗ |1〉 ⊗ |βm1〉B (∗)

ЛеммаДля протокола длины ` выполняется

pxy =22`−2−1∑

k=0

ax ,k · by ,k , |ax ,k | 6 1, |bx ,k | 6 1.

ДоказательствоИз (∗) вероятность наблюдения исхода 1

pxy =∑

m′,m′′

〈αm′1|αm′′1〉 · 〈βm′1|βm′′1〉

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 5 / 29

Page 16: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Матричные нормы

Скалярное произведение операторов (произведение Фробениуса):〈A,B〉 = Tr(A†B)

Норма Фробениуса‖A‖F =

√〈A,A〉

Операторная норма‖A‖ = max

x :|x |=1|Ax |

Следовая норма‖A‖tr = max

‖X‖=1

∣∣〈A,X 〉∣∣УтверждениеНорма Фробениуса, операторная норма и следовая нормаудовлетворяют свойствам нормы:(1) ‖x‖ > 0; (2) ‖λx‖ = |λ| · ‖x‖; (3) ‖x + y‖ 6 ‖x‖+ ‖y‖.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 6 / 29

Page 17: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Матричные нормы

Скалярное произведение операторов (произведение Фробениуса):〈A,B〉 = Tr(A†B)

Норма Фробениуса‖A‖F =

√〈A,A〉

Операторная норма‖A‖ = max

x :|x |=1|Ax |

Следовая норма‖A‖tr = max

‖X‖=1

∣∣〈A,X 〉∣∣УтверждениеНорма Фробениуса, операторная норма и следовая нормаудовлетворяют свойствам нормы:(1) ‖x‖ > 0; (2) ‖λx‖ = |λ| · ‖x‖; (3) ‖x + y‖ 6 ‖x‖+ ‖y‖.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 6 / 29

Page 18: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Матричные нормы

Скалярное произведение операторов (произведение Фробениуса):〈A,B〉 = Tr(A†B)

Норма Фробениуса‖A‖F =

√〈A,A〉

Операторная норма‖A‖ = max

x :|x |=1|Ax |

Следовая норма‖A‖tr = max

‖X‖=1

∣∣〈A,X 〉∣∣УтверждениеНорма Фробениуса, операторная норма и следовая нормаудовлетворяют свойствам нормы:(1) ‖x‖ > 0; (2) ‖λx‖ = |λ| · ‖x‖; (3) ‖x + y‖ 6 ‖x‖+ ‖y‖.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 6 / 29

Page 19: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Матричные нормы

Скалярное произведение операторов (произведение Фробениуса):〈A,B〉 = Tr(A†B)

Норма Фробениуса‖A‖F =

√〈A,A〉

Операторная норма‖A‖ = max

x :|x |=1|Ax |

Следовая норма‖A‖tr = max

‖X‖=1

∣∣〈A,X 〉∣∣УтверждениеНорма Фробениуса, операторная норма и следовая нормаудовлетворяют свойствам нормы:(1) ‖x‖ > 0; (2) ‖λx‖ = |λ| · ‖x‖; (3) ‖x + y‖ 6 ‖x‖+ ‖y‖.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 6 / 29

Page 20: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Матричные нормы

Скалярное произведение операторов (произведение Фробениуса):〈A,B〉 = Tr(A†B)

Норма Фробениуса‖A‖F =

√〈A,A〉

Операторная норма‖A‖ = max

x :|x |=1|Ax |

Следовая норма‖A‖tr = max

‖X‖=1

∣∣〈A,X 〉∣∣УтверждениеНорма Фробениуса, операторная норма и следовая нормаудовлетворяют свойствам нормы:(1) ‖x‖ > 0; (2) ‖λx‖ = |λ| · ‖x‖; (3) ‖x + y‖ 6 ‖x‖+ ‖y‖.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 6 / 29

Page 21: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Теорема о сингулярном разложении

ТеоремаЛюбой оператор представляется в виде

A =r∑

k=1

sk |ξk〉〈ψk | или для матриц A = UDV ,

где ξk, ψk — ортонормированные системы векторов,sk > 0 — сингулярные числа, r — ранг оператора,U, V — унитарные, D — неотрицательная диагональная.

Утверждение

Для любого оператора A оператор A†A — эрмитов.

УпражнениеВыведите теорему о сингулярном разложении из утверждения итеоремы о существовании для эрмитова оператораортонормированного базиса из собственных векторов.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 7 / 29

Page 22: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Теорема о сингулярном разложении

ТеоремаЛюбой оператор представляется в виде

A =r∑

k=1

sk |ξk〉〈ψk | или для матриц A = UDV ,

где ξk, ψk — ортонормированные системы векторов,sk > 0 — сингулярные числа, r — ранг оператора,U, V — унитарные, D — неотрицательная диагональная.

Утверждение

Для любого оператора A оператор A†A — эрмитов.

УпражнениеВыведите теорему о сингулярном разложении из утверждения итеоремы о существовании для эрмитова оператораортонормированного базиса из собственных векторов.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 7 / 29

Page 23: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Теорема о сингулярном разложении

ТеоремаЛюбой оператор представляется в виде

A =r∑

k=1

sk |ξk〉〈ψk | или для матриц A = UDV ,

где ξk, ψk — ортонормированные системы векторов,sk > 0 — сингулярные числа, r — ранг оператора,U, V — унитарные, D — неотрицательная диагональная.

Утверждение

Для любого оператора A оператор A†A — эрмитов.

УпражнениеВыведите теорему о сингулярном разложении из утверждения итеоремы о существовании для эрмитова оператораортонормированного базиса из собственных векторов.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 7 / 29

Page 24: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Свойства следовой нормы

Утверждение‖A‖tr =

∑k sk .

ДоказательствоПусть A = UDV =

∑rk=1 sk |ξk〉〈ψk |. Тогда

〈A,UV 〉 = Tr(A†UV ) = Tr(V †DU†UV ) = Tr(D) =∑k

sk .

С другой стороны,∣∣ Tr(A†X )∣∣ 6

∑k

sk∣∣ Tr(|ψk〉〈ξk |X )

∣∣ =∑k

sk∣∣ Tr(〈ξk |X |ψk〉)

∣∣ =

=∑k

sk∣∣〈ξk |X |ψk〉

∣∣ 6∑k

sk∣∣X |ψk〉

∣∣ 6 ‖X‖∑k

sk .

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 8 / 29

Page 25: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Свойства следовой нормы

Утверждение‖A‖tr =

∑k sk .

ДоказательствоПусть A = UDV =

∑rk=1 sk |ξk〉〈ψk |. Тогда

〈A,UV 〉 = Tr(A†UV ) = Tr(V †DU†UV ) = Tr(D) =∑k

sk .

С другой стороны,∣∣ Tr(A†X )∣∣ 6

∑k

sk∣∣ Tr(|ψk〉〈ξk |X )

∣∣ =∑k

sk∣∣ Tr(〈ξk |X |ψk〉)

∣∣ =

=∑k

sk∣∣〈ξk |X |ψk〉

∣∣ 6∑k

sk∣∣X |ψk〉

∣∣ 6 ‖X‖∑k

sk .

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 8 / 29

Page 26: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Свойства следовой нормы

Утверждение‖A‖tr =

∑k sk .

ДоказательствоПусть A = UDV =

∑rk=1 sk |ξk〉〈ψk |. Тогда

〈A,UV 〉 = Tr(A†UV ) = Tr(V †DU†UV ) = Tr(D) =∑k

sk .

С другой стороны,∣∣ Tr(A†X )∣∣ 6

∑k

sk∣∣ Tr(|ψk〉〈ξk |X )

∣∣ =∑k

sk∣∣ Tr(〈ξk |X |ψk〉)

∣∣ =

=∑k

sk∣∣〈ξk |X |ψk〉

∣∣ 6∑k

sk∣∣X |ψk〉

∣∣ 6 ‖X‖∑k

sk .

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 8 / 29

Page 27: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Свойства следовой нормы

Утверждение‖A‖tr =

∑k sk .

ДоказательствоПусть A = UDV =

∑rk=1 sk |ξk〉〈ψk |. Тогда

〈A,UV 〉 = Tr(A†UV ) = Tr(V †DU†UV ) = Tr(D) =∑k

sk .

С другой стороны,∣∣ Tr(A†X )∣∣ 6

∑k

sk∣∣ Tr(|ψk〉〈ξk |X )

∣∣ =∑k

sk∣∣ Tr(〈ξk |X |ψk〉)

∣∣ =

=∑k

sk∣∣〈ξk |X |ψk〉

∣∣ 6∑k

sk∣∣X |ψk〉

∣∣ 6 ‖X‖∑k

sk .

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 8 / 29

Page 28: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Оценка следовой нормы матрицы P

Лемма

‖P‖tr 6 22`−2√|X | · |Y |.

ДоказательствоИз предыдущей леммы

pxy =22`−2−1∑

k=0

ax ,k · by ,k , |ax ,k | 6 1, |bx ,k | 6 1.

Введем векторы ak = (ax ,k), bk = (b∗y ,k). Тогда P =∑

k |ak〉〈bk | и

‖P‖tr 622`−2−1∑

k=0

∥∥|ak〉〈bk |∥∥

tr =22`−2−1∑

k=0

|ak | · |bk | 6 22`−2√|X | · |Y |.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 9 / 29

Page 29: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Оценка следовой нормы матрицы P

Лемма

‖P‖tr 6 22`−2√|X | · |Y |.

ДоказательствоИз предыдущей леммы

pxy =22`−2−1∑

k=0

ax ,k · by ,k , |ax ,k | 6 1, |bx ,k | 6 1.

Введем векторы ak = (ax ,k), bk = (b∗y ,k). Тогда P =∑

k |ak〉〈bk | и

‖P‖tr 622`−2−1∑

k=0

∥∥|ak〉〈bk |∥∥

tr =22`−2−1∑

k=0

|ak | · |bk | 6 22`−2√|X | · |Y |.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 9 / 29

Page 30: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Оценка следовой нормы матрицы P

Лемма

‖P‖tr 6 22`−2√|X | · |Y |.

ДоказательствоИз предыдущей леммы

pxy =22`−2−1∑

k=0

ax ,k · by ,k , |ax ,k | 6 1, |bx ,k | 6 1.

Введем векторы ak = (ax ,k), bk = (b∗y ,k). Тогда P =∑

k |ak〉〈bk | и

‖P‖tr 622`−2−1∑

k=0

∥∥|ak〉〈bk |∥∥

tr =22`−2−1∑

k=0

|ak | · |bk | 6 22`−2√|X | · |Y |.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 9 / 29

Page 31: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Оценка следовой нормы матрицы P

Лемма

‖P‖tr 6 22`−2√|X | · |Y |.

ДоказательствоИз предыдущей леммы

pxy =22`−2−1∑

k=0

ax ,k · by ,k , |ax ,k | 6 1, |bx ,k | 6 1.

Введем векторы ak = (ax ,k), bk = (b∗y ,k). Тогда P =∑

k |ak〉〈bk | и

‖P‖tr 622`−2−1∑

k=0

∥∥|ak〉〈bk |∥∥

tr =22`−2−1∑

k=0

|ak | · |bk | 6 22`−2√|X | · |Y |.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 9 / 29

Page 32: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Оценка следовой нормы матрицы P

Лемма

‖P‖tr 6 22`−2√|X | · |Y |.

ДоказательствоИз предыдущей леммы

pxy =22`−2−1∑

k=0

ax ,k · by ,k , |ax ,k | 6 1, |bx ,k | 6 1.

Введем векторы ak = (ax ,k), bk = (b∗y ,k). Тогда P =∑

k |ak〉〈bk | и

‖P‖tr 622`−2−1∑

k=0

∥∥|ak〉〈bk |∥∥

tr =22`−2−1∑

k=0

|ak | · |bk | 6 22`−2√|X | · |Y |.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 9 / 29

Page 33: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Оценка следовой нормы матрицы P

Лемма

‖P‖tr 6 22`−2√|X | · |Y |.

ДоказательствоИз предыдущей леммы

pxy =22`−2−1∑

k=0

ax ,k · by ,k , |ax ,k | 6 1, |bx ,k | 6 1.

Введем векторы ak = (ax ,k), bk = (b∗y ,k). Тогда P =∑

k |ak〉〈bk | и

‖P‖tr 622`−2−1∑

k=0

∥∥|ak〉〈bk |∥∥

tr =22`−2−1∑

k=0

|ak | · |bk | 6 22`−2√|X | · |Y |.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 9 / 29

Page 34: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Оценка следовой нормы матрицы P

Лемма

‖P‖tr 6 22`−2√|X | · |Y |.

ДоказательствоИз предыдущей леммы

pxy =22`−2−1∑

k=0

ax ,k · by ,k , |ax ,k | 6 1, |bx ,k | 6 1.

Введем векторы ak = (ax ,k), bk = (b∗y ,k). Тогда P =∑

k |ak〉〈bk | и

‖P‖tr 622`−2−1∑

k=0

∥∥|ak〉〈bk |∥∥

tr =22`−2−1∑

k=0

|ak | · |bk | 6 22`−2√|X | · |Y |.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 9 / 29

Page 35: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Оценка следовой нормы матрицы P

Лемма

‖P‖tr 6 22`−2√|X | · |Y |.

ДоказательствоИз предыдущей леммы

pxy =22`−2−1∑

k=0

ax ,k · by ,k , |ax ,k | 6 1, |bx ,k | 6 1.

Введем векторы ak = (ax ,k), bk = (b∗y ,k). Тогда P =∑

k |ak〉〈bk | и

‖P‖tr 622`−2−1∑

k=0

∥∥|ak〉〈bk |∥∥

tr =22`−2−1∑

k=0

|ak | · |bk | 6 22`−2√|X | · |Y |.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 9 / 29

Page 36: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Пример: нижняя оценка для скалярного произведения

Функция IP(x , y) =⊕n

k=1 xkyk .

УтверждениеQ1/3(IP) = Ω(n).

Эскиз доказательства

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 10 / 29

Page 37: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Пример: нижняя оценка для скалярного произведения

Функция IP(x , y) =⊕n

k=1 xkyk .

УтверждениеQ1/3(IP) = Ω(n).

Эскиз доказательства

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 10 / 29

Page 38: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Пример: нижняя оценка для скалярного произведения

Функция IP(x , y) =⊕n

k=1 xkyk .

УтверждениеQ1/3(IP) = Ω(n).

Эскиз доказательстваПолагаем X = Y = 0, 1n.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 10 / 29

Page 39: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Пример: нижняя оценка для скалярного произведения

Функция IP(x , y) =⊕n

k=1 xkyk .

УтверждениеQ1/3(IP) = Ω(n).

Эскиз доказательстваПолагаем X = Y = 0, 1n. Матрица скалярных произведений:

M =

(1 11 −1

)⊗n

(проверьте, что Mxy = (−1)IP(x ,y)).

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 10 / 29

Page 40: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Пример: нижняя оценка для скалярного произведения

Функция IP(x , y) =⊕n

k=1 xkyk .

УтверждениеQ1/3(IP) = Ω(n).

Эскиз доказательстваПолагаем X = Y = 0, 1n. Матрица скалярных произведений:

M =

(1 11 −1

)⊗n

(проверьте, что Mxy = (−1)IP(x ,y)).

Пусть P — матрица положительных ответов для протокола,вычисляющего IP.Тогда Mxy = 1 ⇒ Pxy > 2/3, Mxy = −1 ⇒ Pxy < 1/3.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 10 / 29

Page 41: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Пример: нижняя оценка для скалярного произведения

Функция IP(x , y) =⊕n

k=1 xkyk .

УтверждениеQ1/3(IP) = Ω(n).

Эскиз доказательстваТогда Mxy = 1 ⇒ Pxy > 2/3, Mxy = −1 ⇒ Pxy < 1/3. Поэтому

〈P,M〉 =∑x ,y

PxyMxy > 22n/6.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 10 / 29

Page 42: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Пример: нижняя оценка для скалярного произведения

Функция IP(x , y) =⊕n

k=1 xkyk .

УтверждениеQ1/3(IP) = Ω(n).

Эскиз доказательстваТогда Mxy = 1 ⇒ Pxy > 2/3, Mxy = −1 ⇒ Pxy < 1/3. Поэтому

〈P,M〉 =∑x ,y

PxyMxy > 22n/6.

Но ‖M‖ = 2n/2 (упражнение) и

〈P,M〉 6 ‖P‖tr‖M‖ = 2n/2‖P‖tr 6 23n/222`−2.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 10 / 29

Page 43: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Пример: нижняя оценка для скалярного произведения

Функция IP(x , y) =⊕n

k=1 xkyk .

УтверждениеQ1/3(IP) = Ω(n).

Эскиз доказательстваТогда Mxy = 1 ⇒ Pxy > 2/3, Mxy = −1 ⇒ Pxy < 1/3. Поэтому

〈P,M〉 =∑x ,y

PxyMxy > 22n/6.

〈P,M〉 6 ‖P‖tr‖M‖ = 2n/2‖P‖tr 6 23n/222`−2.

Окончательно,

22`−2 >162n/2, т. е. ` = Ω(n).

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 10 / 29

Page 44: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

План

1 Нижние оценки квантовой коммуникационной сложности

2 Нижняя оценка для функции пересечения множеств

3 Модель коммуникации SMP

4 Квантовая (псевдо-)телепатия

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 11 / 29

Page 45: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Оценка Разборова Q1/3(DISJ) = Ω(√

n) (план)

Выбираем X = Y =( nn/4

)— множество слов длины n веса n/4

(вес — количество единиц).Подбираем такие матрицы µs , 0 6 s 6 n/4, что

1 〈P, µ0〉 ∈ (2/3; 1] , а 〈P, µs〉 ∈ [0; 1/3) для s = 1, . . . , n/4;2 для любого d 6 n/4 существует многочлен p степени d такой, что

|p(s)− 〈P, µs〉| 6‖P‖tr( n

n/4

)2d/4

для 0 6 s 6 n/8.

Для d = 8`+ 8 из леммы о следовой норме матрицыположительных ответов получаем

|p(s)− 〈P, µs〉| 622`−2( n

n/4

)( nn/4

)22`−2

=124 .

Поэтому к многочлену p можно применить теорему о нижнейоценке степени многочлена.Значит, d = Ω(

√n) и ` = Ω(

√n).

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 12 / 29

Page 46: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Оценка Разборова Q1/3(DISJ) = Ω(√

n) (план)

Выбираем X = Y =( nn/4

)— множество слов длины n веса n/4

(вес — количество единиц).Подбираем такие матрицы µs , 0 6 s 6 n/4, что

1 〈P, µ0〉 ∈ (2/3; 1] , а 〈P, µs〉 ∈ [0; 1/3) для s = 1, . . . , n/4;2 для любого d 6 n/4 существует многочлен p степени d такой, что

|p(s)− 〈P, µs〉| 6‖P‖tr( n

n/4

)2d/4

для 0 6 s 6 n/8.

Для d = 8`+ 8 из леммы о следовой норме матрицыположительных ответов получаем

|p(s)− 〈P, µs〉| 622`−2( n

n/4

)( nn/4

)22`−2

=124 .

Поэтому к многочлену p можно применить теорему о нижнейоценке степени многочлена.Значит, d = Ω(

√n) и ` = Ω(

√n).

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 12 / 29

Page 47: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Оценка Разборова Q1/3(DISJ) = Ω(√

n) (план)

Выбираем X = Y =( nn/4

)— множество слов длины n веса n/4

(вес — количество единиц).Подбираем такие матрицы µs , 0 6 s 6 n/4, что

1 〈P, µ0〉 ∈ (2/3; 1] , а 〈P, µs〉 ∈ [0; 1/3) для s = 1, . . . , n/4;2 для любого d 6 n/4 существует многочлен p степени d такой, что

|p(s)− 〈P, µs〉| 6‖P‖tr( n

n/4

)2d/4

для 0 6 s 6 n/8.

Для d = 8`+ 8 из леммы о следовой норме матрицыположительных ответов получаем

|p(s)− 〈P, µs〉| 622`−2( n

n/4

)( nn/4

)22`−2

=124 .

Поэтому к многочлену p можно применить теорему о нижнейоценке степени многочлена.Значит, d = Ω(

√n) и ` = Ω(

√n).

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 12 / 29

Page 48: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Оценка Разборова Q1/3(DISJ) = Ω(√

n) (план)

Выбираем X = Y =( nn/4

)— множество слов длины n веса n/4

(вес — количество единиц).Подбираем такие матрицы µs , 0 6 s 6 n/4, что

1 〈P, µ0〉 ∈ (2/3; 1] , а 〈P, µs〉 ∈ [0; 1/3) для s = 1, . . . , n/4;2 для любого d 6 n/4 существует многочлен p степени d такой, что

|p(s)− 〈P, µs〉| 6‖P‖tr( n

n/4

)2d/4

для 0 6 s 6 n/8.

Для d = 8`+ 8 из леммы о следовой норме матрицыположительных ответов получаем

|p(s)− 〈P, µs〉| 622`−2( n

n/4

)( nn/4

)22`−2

=124 .

Поэтому к многочлену p можно применить теорему о нижнейоценке степени многочлена.Значит, d = Ω(

√n) и ` = Ω(

√n).

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 12 / 29

Page 49: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Оценка Разборова Q1/3(DISJ) = Ω(√

n) (план)

Выбираем X = Y =( nn/4

)— множество слов длины n веса n/4

(вес — количество единиц).Подбираем такие матрицы µs , 0 6 s 6 n/4, что

1 〈P, µ0〉 ∈ (2/3; 1] , а 〈P, µs〉 ∈ [0; 1/3) для s = 1, . . . , n/4;2 для любого d 6 n/4 существует многочлен p степени d такой, что

|p(s)− 〈P, µs〉| 6‖P‖tr( n

n/4

)2d/4

для 0 6 s 6 n/8.

Для d = 8`+ 8 из леммы о следовой норме матрицыположительных ответов получаем

|p(s)− 〈P, µs〉| 622`−2( n

n/4

)( nn/4

)22`−2

=124 .

Поэтому к многочлену p можно применить теорему о нижнейоценке степени многочлена.Значит, d = Ω(

√n) и ` = Ω(

√n).

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 12 / 29

Page 50: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Оценка Разборова Q1/3(DISJ) = Ω(√

n) (план)

Выбираем X = Y =( nn/4

)— множество слов длины n веса n/4

(вес — количество единиц).Подбираем такие матрицы µs , 0 6 s 6 n/4, что

1 〈P, µ0〉 ∈ (2/3; 1] , а 〈P, µs〉 ∈ [0; 1/3) для s = 1, . . . , n/4;2 для любого d 6 n/4 существует многочлен p степени d такой, что

|p(s)− 〈P, µs〉| 6‖P‖tr( n

n/4

)2d/4

для 0 6 s 6 n/8.

Для d = 8`+ 8 из леммы о следовой норме матрицыположительных ответов получаем

|p(s)− 〈P, µs〉| 622`−2( n

n/4

)( nn/4

)22`−2

=124 .

Поэтому к многочлену p можно применить теорему о нижнейоценке степени многочлена.Значит, d = Ω(

√n) и ` = Ω(

√n).

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 12 / 29

Page 51: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Оценка Разборова Q1/3(DISJ) = Ω(√

n) (план)

Выбираем X = Y =( nn/4

)— множество слов длины n веса n/4

(вес — количество единиц).Подбираем такие матрицы µs , 0 6 s 6 n/4, что

1 〈P, µ0〉 ∈ (2/3; 1] , а 〈P, µs〉 ∈ [0; 1/3) для s = 1, . . . , n/4;2 для любого d 6 n/4 существует многочлен p степени d такой, что

|p(s)− 〈P, µs〉| 6‖P‖tr( n

n/4

)2d/4

для 0 6 s 6 n/8.

Для d = 8`+ 8 из леммы о следовой норме матрицыположительных ответов получаем

|p(s)− 〈P, µs〉| 622`−2( n

n/4

)( nn/4

)22`−2

=124 .

Поэтому к многочлену p можно применить теорему о нижнейоценке степени многочлена.Значит, d = Ω(

√n) и ` = Ω(

√n).

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 12 / 29

Page 52: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Выбор матриц µs

µs =1( n

n/4

)(n/4s

)(n−n/4n/4−s

)Jn,n/4,s ,

где Jn,k,s — матрица из схемы отношений Джонсона

Jn,k,s(x , y) =

1, если |x ∩ y | = s,0, в противном случае,

x , y ∈ 0, 1n; |x | = |y | = k .

Матрица µs соответствует случайному выбору пары x , y с заданнымразмером пересечения s.Поэтому для протокола, вычисляющего DISJ(x , y), выполняетсяусловие 1:

〈P, µ0〉 ∈ (2/3; 1], 〈P, µs〉 ∈ [0; 1/3) для s = 1, . . . , n/4.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 13 / 29

Page 53: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Выбор матриц µs

µs =1( n

n/4

)(n/4s

)(n−n/4n/4−s

)Jn,n/4,s ,

где Jn,k,s — матрица из схемы отношений Джонсона

Jn,k,s(x , y) =

1, если |x ∩ y | = s,0, в противном случае,

x , y ∈ 0, 1n; |x | = |y | = k .

Матрица µs соответствует случайному выбору пары x , y с заданнымразмером пересечения s.Поэтому для протокола, вычисляющего DISJ(x , y), выполняетсяусловие 1:

〈P, µ0〉 ∈ (2/3; 1], 〈P, µs〉 ∈ [0; 1/3) для s = 1, . . . , n/4.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 13 / 29

Page 54: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Выбор матриц µs

µs =1( n

n/4

)(n/4s

)(n−n/4n/4−s

)Jn,n/4,s ,

где Jn,k,s — матрица из схемы отношений Джонсона

Jn,k,s(x , y) =

1, если |x ∩ y | = s,0, в противном случае,

x , y ∈ 0, 1n; |x | = |y | = k .

Матрица µs соответствует случайному выбору пары x , y с заданнымразмером пересечения s.Поэтому для протокола, вычисляющего DISJ(x , y), выполняетсяусловие 1:

〈P, µ0〉 ∈ (2/3; 1], 〈P, µs〉 ∈ [0; 1/3) для s = 1, . . . , n/4.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 13 / 29

Page 55: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Алгебраическая комбинаторика

Матрицы Jn,k,s попарно коммутируют.Поэтому у них есть общая система собственных пространствE0, . . . ,Ek .Собственное число λs,t , отвечающее матрице Jn,k,s и пространствуEt , выражается формулой

λs,t =∑

r

(−1)t−r(

tr

)(k − rs − r

)(n − k − t + rk − s − t + r

).

Докажите, что соответствующие собственные числа λs,t(µs)матриц µs задаются многочленом от s степени t.При k 6 n/4 и s 6 k/2 выполняется неравенство

|λs,t(µs)| 6(

nk

)−1

2−t/4.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 14 / 29

Page 56: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Алгебраическая комбинаторика

Матрицы Jn,k,s попарно коммутируют.Поэтому у них есть общая система собственных пространствE0, . . . ,Ek .Собственное число λs,t , отвечающее матрице Jn,k,s и пространствуEt , выражается формулой

λs,t =∑

r

(−1)t−r(

tr

)(k − rs − r

)(n − k − t + rk − s − t + r

).

Докажите, что соответствующие собственные числа λs,t(µs)матриц µs задаются многочленом от s степени t.При k 6 n/4 и s 6 k/2 выполняется неравенство

|λs,t(µs)| 6(

nk

)−1

2−t/4.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 14 / 29

Page 57: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Алгебраическая комбинаторика

Матрицы Jn,k,s попарно коммутируют.Поэтому у них есть общая система собственных пространствE0, . . . ,Ek .Собственное число λs,t , отвечающее матрице Jn,k,s и пространствуEt , выражается формулой

λs,t =∑

r

(−1)t−r(

tr

)(k − rs − r

)(n − k − t + rk − s − t + r

).

Докажите, что соответствующие собственные числа λs,t(µs)матриц µs задаются многочленом от s степени t.При k 6 n/4 и s 6 k/2 выполняется неравенство

|λs,t(µs)| 6(

nk

)−1

2−t/4.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 14 / 29

Page 58: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Алгебраическая комбинаторика

Матрицы Jn,k,s попарно коммутируют.Поэтому у них есть общая система собственных пространствE0, . . . ,Ek .Собственное число λs,t , отвечающее матрице Jn,k,s и пространствуEt , выражается формулой

λs,t =∑

r

(−1)t−r(

tr

)(k − rs − r

)(n − k − t + rk − s − t + r

).

Докажите, что соответствующие собственные числа λs,t(µs)матриц µs задаются многочленом от s степени t.При k 6 n/4 и s 6 k/2 выполняется неравенство

|λs,t(µs)| 6(

nk

)−1

2−t/4.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 14 / 29

Page 59: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Алгебраическая комбинаторика

Матрицы Jn,k,s попарно коммутируют.Поэтому у них есть общая система собственных пространствE0, . . . ,Ek .Собственное число λs,t , отвечающее матрице Jn,k,s и пространствуEt , выражается формулой

λs,t =∑

r

(−1)t−r(

tr

)(k − rs − r

)(n − k − t + rk − s − t + r

).

Докажите, что соответствующие собственные числа λs,t(µs)матриц µs задаются многочленом от s степени t.При k 6 n/4 и s 6 k/2 выполняется неравенство

|λs,t(µs)| 6(

nk

)−1

2−t/4.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 14 / 29

Page 60: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Алгебраическая комбинаторика (окончание)

ЗадачаВыведите из этих свойств условие 2:для любого d 6 n/4 существует многочлен p степени d такой, что

|p(s)− 〈P, µs〉| 6‖P‖tr( n

n/4

)2d/4 для 0 6 s 6 n/8.

Указание: перейдите к базису, в котором матрицы Jn,k,sдиагонализуются.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 15 / 29

Page 61: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

План

1 Нижние оценки квантовой коммуникационной сложности

2 Нижняя оценка для функции пересечения множеств

3 Модель коммуникации SMP

4 Квантовая (псевдо-)телепатия

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 16 / 29

Page 62: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Коммуникационная сложность проверки равенства

EQ(x , y) =

1, если x = y ,0, иначе.

Коммуникационная сложность в основной моделиD(EQ) = n; Rε(EQ) = O(log n).

Коммуникационная сложность в модели SMP

RSMPε (EQ) = Ω(

√n); QSMP

ε (EQ) = O(log n).

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 17 / 29

Page 63: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Коммуникационная сложность проверки равенства

EQ(x , y) =

1, если x = y ,0, иначе.

Коммуникационная сложность в основной моделиD(EQ) = n; Rε(EQ) = O(log n).

Коммуникационная сложность в модели SMP

RSMPε (EQ) = Ω(

√n); QSMP

ε (EQ) = O(log n).

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 17 / 29

Page 64: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Коммуникационная сложность проверки равенства

EQ(x , y) =

1, если x = y ,0, иначе.

Коммуникационная сложность в основной моделиD(EQ) = n; Rε(EQ) = O(log n).

Коммуникационная сложность в модели SMP

RSMPε (EQ) = Ω(

√n); QSMP

ε (EQ) = O(log n).

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 17 / 29

Page 65: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Одновременная передача сообщений (модель SMP)

x y

f(x, y) =?

Алиса (знает x) и Боб (знает y) посылают сообщения Чарли, которыйдолжен вычислить f (x , y).Аналогично предыдущему формулируются вероятностная модель(с частными или общими генераторами) и квантовая (спредварительной сцепленностью или без).

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 18 / 29

Page 66: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Хорошие коды

ОпределениеСемейство подмножеств Cn ⊂ 0, 1n называется (асимптотически)хорошим кодом, если найдутся такие две константы δ, r , что

|Cn| > 2rn;‖x ⊕ y‖ > δn при x , y ∈ Cn, x 6= y .

r назовем пропускной способностью,δ — (относительным) кодовым расстоянием.

ЗадачаДокажите, что хорошие коды существуют при r + H2(δ) < 1, δ < 1/2.Здесь H2 = −δ log2 δ − (1− δ) log2 δ.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 19 / 29

Page 67: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Хорошие коды

ОпределениеСемейство подмножеств Cn ⊂ 0, 1n называется (асимптотически)хорошим кодом, если найдутся такие две константы δ, r , что

|Cn| > 2rn;‖x ⊕ y‖ > δn при x , y ∈ Cn, x 6= y .

r назовем пропускной способностью,δ — (относительным) кодовым расстоянием.

ЗадачаДокажите, что хорошие коды существуют при r + H2(δ) < 1, δ < 1/2.Здесь H2 = −δ log2 δ − (1− δ) log2 δ.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 19 / 29

Page 68: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Хорошие коды

ОпределениеСемейство подмножеств Cn ⊂ 0, 1n называется (асимптотически)хорошим кодом, если найдутся такие две константы δ, r , что

|Cn| > 2rn;‖x ⊕ y‖ > δn при x , y ∈ Cn, x 6= y .

r назовем пропускной способностью,δ — (относительным) кодовым расстоянием.

ЗадачаДокажите, что хорошие коды существуют при r + H2(δ) < 1, δ < 1/2.Здесь H2 = −δ log2 δ − (1− δ) log2 δ.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 19 / 29

Page 69: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Хорошие коды

ОпределениеСемейство подмножеств Cn ⊂ 0, 1n называется (асимптотически)хорошим кодом, если найдутся такие две константы δ, r , что

|Cn| > 2rn;‖x ⊕ y‖ > δn при x , y ∈ Cn, x 6= y .

r назовем пропускной способностью,δ — (относительным) кодовым расстоянием.

ЗадачаДокажите, что хорошие коды существуют при r + H2(δ) < 1, δ < 1/2.Здесь H2 = −δ log2 δ − (1− δ) log2 δ.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 19 / 29

Page 70: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Хорошие коды помогают вычислять EQ

ЗадачаДокажите, используя хорошие коды, что Rε(EQ) = O(log n).

Задача

Докажите, используя хорошие коды, что RSMP, pubε (EQ) = O(log n).

Однако:RSMP

ε (EQ) = Ω(√

n)(Babai, Kimmel, 1996: в SMP модели разрыв между вероятностной идетерминированной коммуникационной сложностью не более чемквадратичный.)

Квантовые сообщения экспоненциально эффективнее:

QSMPε (EQ) = O(log n)

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 20 / 29

Page 71: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Хорошие коды помогают вычислять EQ

ЗадачаДокажите, используя хорошие коды, что Rε(EQ) = O(log n).

Задача

Докажите, используя хорошие коды, что RSMP, pubε (EQ) = O(log n).

Однако:RSMP

ε (EQ) = Ω(√

n)(Babai, Kimmel, 1996: в SMP модели разрыв между вероятностной идетерминированной коммуникационной сложностью не более чемквадратичный.)

Квантовые сообщения экспоненциально эффективнее:

QSMPε (EQ) = O(log n)

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 20 / 29

Page 72: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Хорошие коды помогают вычислять EQ

ЗадачаДокажите, используя хорошие коды, что Rε(EQ) = O(log n).

Задача

Докажите, используя хорошие коды, что RSMP, pubε (EQ) = O(log n).

Однако:RSMP

ε (EQ) = Ω(√

n)(Babai, Kimmel, 1996: в SMP модели разрыв между вероятностной идетерминированной коммуникационной сложностью не более чемквадратичный.)

Квантовые сообщения экспоненциально эффективнее:

QSMPε (EQ) = O(log n)

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 20 / 29

Page 73: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Хорошие коды помогают вычислять EQ

ЗадачаДокажите, используя хорошие коды, что Rε(EQ) = O(log n).

Задача

Докажите, используя хорошие коды, что RSMP, pubε (EQ) = O(log n).

Однако:RSMP

ε (EQ) = Ω(√

n)(Babai, Kimmel, 1996: в SMP модели разрыв между вероятностной идетерминированной коммуникационной сложностью не более чемквадратичный.)

Квантовые сообщения экспоненциально эффективнее:

QSMPε (EQ) = O(log n)

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 20 / 29

Page 74: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Хорошие коды помогают вычислять EQ

ЗадачаДокажите, используя хорошие коды, что Rε(EQ) = O(log n).

Задача

Докажите, используя хорошие коды, что RSMP, pubε (EQ) = O(log n).

Однако:RSMP

ε (EQ) = Ω(√

n)(Babai, Kimmel, 1996: в SMP модели разрыв между вероятностной идетерминированной коммуникационной сложностью не более чемквадратичный.)

Квантовые сообщения экспоненциально эффективнее:

QSMPε (EQ) = O(log n)

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 20 / 29

Page 75: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Вычисление EQ в модели SMP (квантовое хеширование)

Фиксируем хорошее семейство кодов Cm с пропускной способностью rи кодовым расстоянием δ. (Для определенности δ = 1/4, r = 1/8.)Выберем кодирующую функцию (инъективное отображение)

cn : 0, 1n → Cn/r .

Алиса готовит сообщение (Боб действует аналогично):1 по x находит u(x) = cn(x), где n = |x |;2 строит квантовое состояние

|ψx〉 =1√m

m∑k=1

|k , u(x)k 〉, m = n/r , u(x)

k — k-й бит u(x),

на O(log m) кубитах (k представляется двоичной записью).

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 21 / 29

Page 76: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Вычисление EQ в модели SMP (квантовое хеширование)

Фиксируем хорошее семейство кодов Cm с пропускной способностью rи кодовым расстоянием δ. (Для определенности δ = 1/4, r = 1/8.)Выберем кодирующую функцию (инъективное отображение)

cn : 0, 1n → Cn/r .

Алиса готовит сообщение (Боб действует аналогично):1 по x находит u(x) = cn(x), где n = |x |;2 строит квантовое состояние

|ψx〉 =1√m

m∑k=1

|k , u(x)k 〉, m = n/r , u(x)

k — k-й бит u(x),

на O(log m) кубитах (k представляется двоичной записью).

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 21 / 29

Page 77: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Вычисление EQ в модели SMP (квантовое хеширование)

Фиксируем хорошее семейство кодов Cm с пропускной способностью rи кодовым расстоянием δ. (Для определенности δ = 1/4, r = 1/8.)Выберем кодирующую функцию (инъективное отображение)

cn : 0, 1n → Cn/r .

Алиса готовит сообщение (Боб действует аналогично):1 по x находит u(x) = cn(x), где n = |x |;2 строит квантовое состояние

|ψx〉 =1√m

m∑k=1

|k , u(x)k 〉, m = n/r , u(x)

k — k-й бит u(x),

на O(log m) кубитах (k представляется двоичной записью).

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 21 / 29

Page 78: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Вычисление EQ в модели SMP (квантовое хеширование)

Фиксируем хорошее семейство кодов Cm с пропускной способностью rи кодовым расстоянием δ. (Для определенности δ = 1/4, r = 1/8.)Выберем кодирующую функцию (инъективное отображение)

cn : 0, 1n → Cn/r .

Алиса готовит сообщение (Боб действует аналогично):1 по x находит u(x) = cn(x), где n = |x |;2 строит квантовое состояние

|ψx〉 =1√m

m∑k=1

|k , u(x)k 〉, m = n/r , u(x)

k — k-й бит u(x),

на O(log m) кубитах (k представляется двоичной записью).

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 21 / 29

Page 79: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Вычисление EQ в модели SMP (квантовое хеширование)

Фиксируем хорошее семейство кодов Cm с пропускной способностью rи кодовым расстоянием δ. (Для определенности δ = 1/4, r = 1/8.)Выберем кодирующую функцию (инъективное отображение)

cn : 0, 1n → Cn/r .

Алиса готовит сообщение (Боб действует аналогично):1 по x находит u(x) = cn(x), где n = |x |;2 строит квантовое состояние

|ψx〉 =1√m

m∑k=1

|k , u(x)k 〉, m = n/r , u(x)

k — k-й бит u(x),

на O(log m) кубитах (k представляется двоичной записью).

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 21 / 29

Page 80: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Вычисление EQ в модели SMP: действия Чарли

Чарли получает два сообщения |ψx〉, |ψy 〉 и должен ответить,справедливо ли равенство x = y . Его действия описываются схемой:

H =1√2

(1 11 −1

)SWAP : |u〉 ⊗ |v〉 7→ |v〉 ⊗ |u〉

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 22 / 29

Page 81: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Вычисление EQ в модели SMP: действия Чарли

Чарли получает два сообщения |ψx〉, |ψy 〉 и должен ответить,справедливо ли равенство x = y . Его действия описываются схемой:

H H

SWAP

|0〉

|ψx〉

|ψy〉

H =1√2

(1 11 −1

)SWAP : |u〉 ⊗ |v〉 7→ |v〉 ⊗ |u〉

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 22 / 29

Page 82: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Вычисление EQ в модели SMP: действия Чарли

Чарли получает два сообщения |ψx〉, |ψy 〉 и должен ответить,справедливо ли равенство x = y . Его действия описываются схемой:

H H

SWAP

|0〉

|ψx〉

|ψy〉

H =1√2

(1 11 −1

)SWAP : |u〉 ⊗ |v〉 7→ |v〉 ⊗ |u〉

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 22 / 29

Page 83: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Вычисление EQ в модели SMP: действия Чарли

Чарли получает два сообщения |ψx〉, |ψy 〉 и должен ответить,справедливо ли равенство x = y . Его действия описываются схемой:

H H

SWAP

|0〉

|ψx〉

|ψy〉

H =1√2

(1 11 −1

)SWAP : |u〉 ⊗ |v〉 7→ |v〉 ⊗ |u〉

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 22 / 29

Page 84: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Вычисление EQ в модели SMP: действия Чарли

Чарли получает два сообщения |ψx〉, |ψy 〉 и должен ответить,справедливо ли равенство x = y . Его действия описываются схемой:

H H

SWAP

|0〉

|ψx〉

|ψy〉

H =1√2

(1 11 −1

)SWAP : |u〉 ⊗ |v〉 7→ |v〉 ⊗ |u〉

c-U = Uc-U : |0〉 ⊗ |ψ〉 → |0〉 ⊗ |ψ〉c-U : |1〉 ⊗ |ψ〉 → |1〉 ⊗ U|ψ〉

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 22 / 29

Page 85: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Анализ протокола

Сообщения Алисы и Боба:

|ψx〉 =1√m

m∑k=1

|k , u(x)k 〉, |ψy 〉 =

1√m

m∑k=1

|k , u(y)k 〉.

Из свойств кода

〈ψx |ψy 〉 =1m

#(k : u(x)k = u(y)

k ) 6 1− δ, если x 6= y ,

〈ψx |ψx〉 = 1 (для любого состояния).

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 23 / 29

Page 86: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Анализ протокола

Сообщения Алисы и Боба:

|ψx〉 =1√m

m∑k=1

|k , u(x)k 〉, |ψy 〉 =

1√m

m∑k=1

|k , u(y)k 〉.

Из свойств кода

〈ψx |ψy 〉 =1m

#(k : u(x)k = u(y)

k ) 6 1− δ, если x 6= y ,

〈ψx |ψx〉 = 1 (для любого состояния).

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 23 / 29

Page 87: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Анализ протокола (продолжение)

Действия Чарли с заметной вероятностью обнаружат разницу в случаеx 6= y . Вычисления:

|0〉 ⊗ |ψx〉 ⊗ |ψy 〉 7H−→ 1√

2

(|0〉+ |1〉

)⊗ |ψx〉 ⊗ |ψy 〉

7 c-SWAP−−−−−→ 1√2|0〉 ⊗ |ψx〉 ⊗ |ψy 〉+

1√2|1〉 ⊗ |ψy 〉 ⊗ |ψx〉

7 H−→ 12(|0〉+ |1〉

)⊗ |ψx〉 ⊗ |ψy 〉+

12(|0〉 − |1〉

)⊗ |ψy 〉 ⊗ |ψx〉 =

=12|0〉⊗

(|ψx〉⊗|ψy 〉+ |ψy 〉⊗|ψx〉

)+

12|1〉⊗

(|ψx〉⊗|ψy 〉−|ψy 〉⊗|ψx〉

)

Pr(1) =14(〈ψx | ⊗ 〈ψy | − 〈ψy | ⊗ 〈ψx |

)(|ψx〉 ⊗ |ψy 〉 − |ψy 〉 ⊗ |ψx〉

)=

=14(2− 〈ψx |ψy 〉〈ψy |ψx〉 − 〈ψy |ψx〉〈ψx |ψy 〉

)=

12− 1

2|〈ψx |ψy 〉|2.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 24 / 29

Page 88: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Анализ протокола (продолжение)

Действия Чарли с заметной вероятностью обнаружат разницу в случаеx 6= y . Вычисления:

|0〉 ⊗ |ψx〉 ⊗ |ψy 〉 7H−→ 1√

2

(|0〉+ |1〉

)⊗ |ψx〉 ⊗ |ψy 〉

7 c-SWAP−−−−−→ 1√2|0〉 ⊗ |ψx〉 ⊗ |ψy 〉+

1√2|1〉 ⊗ |ψy 〉 ⊗ |ψx〉

7 H−→ 12(|0〉+ |1〉

)⊗ |ψx〉 ⊗ |ψy 〉+

12(|0〉 − |1〉

)⊗ |ψy 〉 ⊗ |ψx〉 =

=12|0〉⊗

(|ψx〉⊗|ψy 〉+ |ψy 〉⊗|ψx〉

)+

12|1〉⊗

(|ψx〉⊗|ψy 〉−|ψy 〉⊗|ψx〉

)

Pr(1) =14(〈ψx | ⊗ 〈ψy | − 〈ψy | ⊗ 〈ψx |

)(|ψx〉 ⊗ |ψy 〉 − |ψy 〉 ⊗ |ψx〉

)=

=14(2− 〈ψx |ψy 〉〈ψy |ψx〉 − 〈ψy |ψx〉〈ψx |ψy 〉

)=

12− 1

2|〈ψx |ψy 〉|2.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 24 / 29

Page 89: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Анализ протокола (продолжение)

Действия Чарли с заметной вероятностью обнаружат разницу в случаеx 6= y . Вычисления:

|0〉 ⊗ |ψx〉 ⊗ |ψy 〉 7H−→ 1√

2

(|0〉+ |1〉

)⊗ |ψx〉 ⊗ |ψy 〉

7 c-SWAP−−−−−→ 1√2|0〉 ⊗ |ψx〉 ⊗ |ψy 〉+

1√2|1〉 ⊗ |ψy 〉 ⊗ |ψx〉

7 H−→ 12(|0〉+ |1〉

)⊗ |ψx〉 ⊗ |ψy 〉+

12(|0〉 − |1〉

)⊗ |ψy 〉 ⊗ |ψx〉 =

=12|0〉⊗

(|ψx〉⊗|ψy 〉+ |ψy 〉⊗|ψx〉

)+

12|1〉⊗

(|ψx〉⊗|ψy 〉−|ψy 〉⊗|ψx〉

)

Pr(1) =14(〈ψx | ⊗ 〈ψy | − 〈ψy | ⊗ 〈ψx |

)(|ψx〉 ⊗ |ψy 〉 − |ψy 〉 ⊗ |ψx〉

)=

=14(2− 〈ψx |ψy 〉〈ψy |ψx〉 − 〈ψy |ψx〉〈ψx |ψy 〉

)=

12− 1

2|〈ψx |ψy 〉|2.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 24 / 29

Page 90: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Анализ протокола (продолжение)

Действия Чарли с заметной вероятностью обнаружат разницу в случаеx 6= y . Вычисления:

|0〉 ⊗ |ψx〉 ⊗ |ψy 〉 7H−→ 1√

2

(|0〉+ |1〉

)⊗ |ψx〉 ⊗ |ψy 〉

7 c-SWAP−−−−−→ 1√2|0〉 ⊗ |ψx〉 ⊗ |ψy 〉+

1√2|1〉 ⊗ |ψy 〉 ⊗ |ψx〉

7 H−→ 12(|0〉+ |1〉

)⊗ |ψx〉 ⊗ |ψy 〉+

12(|0〉 − |1〉

)⊗ |ψy 〉 ⊗ |ψx〉 =

=12|0〉⊗

(|ψx〉⊗|ψy 〉+ |ψy 〉⊗|ψx〉

)+

12|1〉⊗

(|ψx〉⊗|ψy 〉−|ψy 〉⊗|ψx〉

)

Pr(1) =14(〈ψx | ⊗ 〈ψy | − 〈ψy | ⊗ 〈ψx |

)(|ψx〉 ⊗ |ψy 〉 − |ψy 〉 ⊗ |ψx〉

)=

=14(2− 〈ψx |ψy 〉〈ψy |ψx〉 − 〈ψy |ψx〉〈ψx |ψy 〉

)=

12− 1

2|〈ψx |ψy 〉|2.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 24 / 29

Page 91: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Анализ протокола (продолжение)

Действия Чарли с заметной вероятностью обнаружат разницу в случаеx 6= y . Вычисления:

|0〉 ⊗ |ψx〉 ⊗ |ψy 〉 7H−→ 1√

2

(|0〉+ |1〉

)⊗ |ψx〉 ⊗ |ψy 〉

7 c-SWAP−−−−−→ 1√2|0〉 ⊗ |ψx〉 ⊗ |ψy 〉+

1√2|1〉 ⊗ |ψy 〉 ⊗ |ψx〉

7 H−→ 12(|0〉+ |1〉

)⊗ |ψx〉 ⊗ |ψy 〉+

12(|0〉 − |1〉

)⊗ |ψy 〉 ⊗ |ψx〉 =

=12|0〉⊗

(|ψx〉⊗|ψy 〉+ |ψy 〉⊗|ψx〉

)+

12|1〉⊗

(|ψx〉⊗|ψy 〉−|ψy 〉⊗|ψx〉

)

Pr(1) =14(〈ψx | ⊗ 〈ψy | − 〈ψy | ⊗ 〈ψx |

)(|ψx〉 ⊗ |ψy 〉 − |ψy 〉 ⊗ |ψx〉

)=

=14(2− 〈ψx |ψy 〉〈ψy |ψx〉 − 〈ψy |ψx〉〈ψx |ψy 〉

)=

12− 1

2|〈ψx |ψy 〉|2.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 24 / 29

Page 92: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Анализ протокола (продолжение)

Действия Чарли с заметной вероятностью обнаружат разницу в случаеx 6= y . Вычисления:

|0〉 ⊗ |ψx〉 ⊗ |ψy 〉 7H−→ 1√

2

(|0〉+ |1〉

)⊗ |ψx〉 ⊗ |ψy 〉

7 c-SWAP−−−−−→ 1√2|0〉 ⊗ |ψx〉 ⊗ |ψy 〉+

1√2|1〉 ⊗ |ψy 〉 ⊗ |ψx〉

7 H−→ 12(|0〉+ |1〉

)⊗ |ψx〉 ⊗ |ψy 〉+

12(|0〉 − |1〉

)⊗ |ψy 〉 ⊗ |ψx〉 =

=12|0〉⊗

(|ψx〉⊗|ψy 〉+ |ψy 〉⊗|ψx〉

)+

12|1〉⊗

(|ψx〉⊗|ψy 〉−|ψy 〉⊗|ψx〉

)

Pr(1) =14(〈ψx | ⊗ 〈ψy | − 〈ψy | ⊗ 〈ψx |

)(|ψx〉 ⊗ |ψy 〉 − |ψy 〉 ⊗ |ψx〉

)=

=14(2− 〈ψx |ψy 〉〈ψy |ψx〉 − 〈ψy |ψx〉〈ψx |ψy 〉

)=

12− 1

2|〈ψx |ψy 〉|2.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 24 / 29

Page 93: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Анализ протокола (продолжение)

Действия Чарли с заметной вероятностью обнаружат разницу в случаеx 6= y . Вычисления:

|0〉 ⊗ |ψx〉 ⊗ |ψy 〉 7H−→ 1√

2

(|0〉+ |1〉

)⊗ |ψx〉 ⊗ |ψy 〉

7 c-SWAP−−−−−→ 1√2|0〉 ⊗ |ψx〉 ⊗ |ψy 〉+

1√2|1〉 ⊗ |ψy 〉 ⊗ |ψx〉

7 H−→ 12(|0〉+ |1〉

)⊗ |ψx〉 ⊗ |ψy 〉+

12(|0〉 − |1〉

)⊗ |ψy 〉 ⊗ |ψx〉 =

=12|0〉⊗

(|ψx〉⊗|ψy 〉+ |ψy 〉⊗|ψx〉

)+

12|1〉⊗

(|ψx〉⊗|ψy 〉−|ψy 〉⊗|ψx〉

)

Pr(1) =14(〈ψx | ⊗ 〈ψy | − 〈ψy | ⊗ 〈ψx |

)(|ψx〉 ⊗ |ψy 〉 − |ψy 〉 ⊗ |ψx〉

)=

=14(2− 〈ψx |ψy 〉〈ψy |ψx〉 − 〈ψy |ψx〉〈ψx |ψy 〉

)=

12− 1

2|〈ψx |ψy 〉|2.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 24 / 29

Page 94: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Анализ протокола (продолжение)

Действия Чарли с заметной вероятностью обнаружат разницу в случаеx 6= y . Вычисления:

|0〉 ⊗ |ψx〉 ⊗ |ψy 〉 7H−→ 1√

2

(|0〉+ |1〉

)⊗ |ψx〉 ⊗ |ψy 〉

7 c-SWAP−−−−−→ 1√2|0〉 ⊗ |ψx〉 ⊗ |ψy 〉+

1√2|1〉 ⊗ |ψy 〉 ⊗ |ψx〉

7 H−→ 12(|0〉+ |1〉

)⊗ |ψx〉 ⊗ |ψy 〉+

12(|0〉 − |1〉

)⊗ |ψy 〉 ⊗ |ψx〉 =

=12|0〉⊗

(|ψx〉⊗|ψy 〉+ |ψy 〉⊗|ψx〉

)+

12|1〉⊗

(|ψx〉⊗|ψy 〉−|ψy 〉⊗|ψx〉

)

Pr(1) =14(〈ψx | ⊗ 〈ψy | − 〈ψy | ⊗ 〈ψx |

)(|ψx〉 ⊗ |ψy 〉 − |ψy 〉 ⊗ |ψx〉

)=

=14(2− 〈ψx |ψy 〉〈ψy |ψx〉 − 〈ψy |ψx〉〈ψx |ψy 〉

)=

12− 1

2|〈ψx |ψy 〉|2.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 24 / 29

Page 95: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Анализ протокола (продолжение)

Действия Чарли с заметной вероятностью обнаружат разницу в случаеx 6= y . Вычисления:

|0〉 ⊗ |ψx〉 ⊗ |ψy 〉 7H−→ 1√

2

(|0〉+ |1〉

)⊗ |ψx〉 ⊗ |ψy 〉

7 c-SWAP−−−−−→ 1√2|0〉 ⊗ |ψx〉 ⊗ |ψy 〉+

1√2|1〉 ⊗ |ψy 〉 ⊗ |ψx〉

7 H−→ 12(|0〉+ |1〉

)⊗ |ψx〉 ⊗ |ψy 〉+

12(|0〉 − |1〉

)⊗ |ψy 〉 ⊗ |ψx〉 =

=12|0〉⊗

(|ψx〉⊗|ψy 〉+ |ψy 〉⊗|ψx〉

)+

12|1〉⊗

(|ψx〉⊗|ψy 〉−|ψy 〉⊗|ψx〉

)

Pr(1) =14(〈ψx | ⊗ 〈ψy | − 〈ψy | ⊗ 〈ψx |

)(|ψx〉 ⊗ |ψy 〉 − |ψy 〉 ⊗ |ψx〉

)=

=14(2− 〈ψx |ψy 〉〈ψy |ψx〉 − 〈ψy |ψx〉〈ψx |ψy 〉

)=

12− 1

2|〈ψx |ψy 〉|2.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 24 / 29

Page 96: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Анализ протокола (продолжение)

Действия Чарли с заметной вероятностью обнаружат разницу в случаеx 6= y . Вычисления:

|0〉 ⊗ |ψx〉 ⊗ |ψy 〉 7H−→ 1√

2

(|0〉+ |1〉

)⊗ |ψx〉 ⊗ |ψy 〉

7 c-SWAP−−−−−→ 1√2|0〉 ⊗ |ψx〉 ⊗ |ψy 〉+

1√2|1〉 ⊗ |ψy 〉 ⊗ |ψx〉

7 H−→ 12(|0〉+ |1〉

)⊗ |ψx〉 ⊗ |ψy 〉+

12(|0〉 − |1〉

)⊗ |ψy 〉 ⊗ |ψx〉 =

=12|0〉⊗

(|ψx〉⊗|ψy 〉+ |ψy 〉⊗|ψx〉

)+

12|1〉⊗

(|ψx〉⊗|ψy 〉−|ψy 〉⊗|ψx〉

)

Pr(1) =14(〈ψx | ⊗ 〈ψy | − 〈ψy | ⊗ 〈ψx |

)(|ψx〉 ⊗ |ψy 〉 − |ψy 〉 ⊗ |ψx〉

)=

=14(2− 〈ψx |ψy 〉〈ψy |ψx〉 − 〈ψy |ψx〉〈ψx |ψy 〉

)=

12− 1

2|〈ψx |ψy 〉|2.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 24 / 29

Page 97: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Анализ протокола (продолжение)

Действия Чарли с заметной вероятностью обнаружат разницу в случаеx 6= y . Вычисления:

|0〉 ⊗ |ψx〉 ⊗ |ψy 〉 7H−→ 1√

2

(|0〉+ |1〉

)⊗ |ψx〉 ⊗ |ψy 〉

7 c-SWAP−−−−−→ 1√2|0〉 ⊗ |ψx〉 ⊗ |ψy 〉+

1√2|1〉 ⊗ |ψy 〉 ⊗ |ψx〉

7 H−→ 12(|0〉+ |1〉

)⊗ |ψx〉 ⊗ |ψy 〉+

12(|0〉 − |1〉

)⊗ |ψy 〉 ⊗ |ψx〉 =

=12|0〉⊗

(|ψx〉⊗|ψy 〉+ |ψy 〉⊗|ψx〉

)+

12|1〉⊗

(|ψx〉⊗|ψy 〉−|ψy 〉⊗|ψx〉

)

Pr(1) =14(〈ψx | ⊗ 〈ψy | − 〈ψy | ⊗ 〈ψx |

)(|ψx〉 ⊗ |ψy 〉 − |ψy 〉 ⊗ |ψx〉

)=

=14(2− 〈ψx |ψy 〉〈ψy |ψx〉 − 〈ψy |ψx〉〈ψx |ψy 〉

)=

12− 1

2|〈ψx |ψy 〉|2.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 24 / 29

Page 98: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Анализ протокола (продолжение)

Действия Чарли с заметной вероятностью обнаружат разницу в случаеx 6= y . Вычисления:

|0〉 ⊗ |ψx〉 ⊗ |ψy 〉 7H−→ 1√

2

(|0〉+ |1〉

)⊗ |ψx〉 ⊗ |ψy 〉

7 c-SWAP−−−−−→ 1√2|0〉 ⊗ |ψx〉 ⊗ |ψy 〉+

1√2|1〉 ⊗ |ψy 〉 ⊗ |ψx〉

7 H−→ 12(|0〉+ |1〉

)⊗ |ψx〉 ⊗ |ψy 〉+

12(|0〉 − |1〉

)⊗ |ψy 〉 ⊗ |ψx〉 =

=12|0〉⊗

(|ψx〉⊗|ψy 〉+ |ψy 〉⊗|ψx〉

)+

12|1〉⊗

(|ψx〉⊗|ψy 〉−|ψy 〉⊗|ψx〉

)

Pr(1) =14(〈ψx | ⊗ 〈ψy | − 〈ψy | ⊗ 〈ψx |

)(|ψx〉 ⊗ |ψy 〉 − |ψy 〉 ⊗ |ψx〉

)=

=14(2− 〈ψx |ψy 〉〈ψy |ψx〉 − 〈ψy |ψx〉〈ψx |ψy 〉

)=

12− 1

2|〈ψx |ψy 〉|2.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 24 / 29

Page 99: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Анализ протокола (окончание)

Итак, вероятность наблюдения 1 равна

Pr(1) =12− 1

2|〈ψx |ψy 〉|2

Если x = y , то вероятность измерения 1 равна 0.Если x 6= y то вероятность измерения 1 больше12− 1

2(1− δ)2 = δ − δ2/2 > 1/5.

Чтобы достичь сколь угодно малой ошибки, Алиса и Боб должныприготовить несколько сообщений такого вида, а Чарли должених обработать независимо и сказать «x 6= y», если хотя бы одиниз наблюдаемых исходов равен 1.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 25 / 29

Page 100: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Анализ протокола (окончание)

Итак, вероятность наблюдения 1 равна

Pr(1) =12− 1

2|〈ψx |ψy 〉|2

Если x = y , то вероятность измерения 1 равна 0.Если x 6= y то вероятность измерения 1 больше12− 1

2(1− δ)2 = δ − δ2/2 > 1/5.

Чтобы достичь сколь угодно малой ошибки, Алиса и Боб должныприготовить несколько сообщений такого вида, а Чарли должених обработать независимо и сказать «x 6= y», если хотя бы одиниз наблюдаемых исходов равен 1.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 25 / 29

Page 101: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Анализ протокола (окончание)

Итак, вероятность наблюдения 1 равна

Pr(1) =12− 1

2|〈ψx |ψy 〉|2

Если x = y , то вероятность измерения 1 равна 0.Если x 6= y то вероятность измерения 1 больше12− 1

2(1− δ)2 = δ − δ2/2 > 1/5.

Чтобы достичь сколь угодно малой ошибки, Алиса и Боб должныприготовить несколько сообщений такого вида, а Чарли должених обработать независимо и сказать «x 6= y», если хотя бы одиниз наблюдаемых исходов равен 1.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 25 / 29

Page 102: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Анализ протокола (окончание)

Итак, вероятность наблюдения 1 равна

Pr(1) =12− 1

2|〈ψx |ψy 〉|2

Если x = y , то вероятность измерения 1 равна 0.Если x 6= y то вероятность измерения 1 больше12− 1

2(1− δ)2 = δ − δ2/2 > 1/5.

Чтобы достичь сколь угодно малой ошибки, Алиса и Боб должныприготовить несколько сообщений такого вида, а Чарли должених обработать независимо и сказать «x 6= y», если хотя бы одиниз наблюдаемых исходов равен 1.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 25 / 29

Page 103: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

План

1 Нижние оценки квантовой коммуникационной сложности

2 Нижняя оценка для функции пересечения множеств

3 Модель коммуникации SMP

4 Квантовая (псевдо-)телепатия

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 26 / 29

Page 104: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Игра Мермина

Условия: Алиса, Боб и Чарли рассаживаются по хорошоизолированным камерам. Каждый из них получает один бит: xa, xb,xc . Им заранее известно, что либо ровно два значения из выданныхбитов равны 1, либо все биты равны 0. Другими словами,

xa + xb + xc ≡ 0 (mod 2).

Каждый из игроков должен сообщить один бит: ya, yb, yc .Цель: Игроки выигрывают, если

ya + yb + yc ≡ (xa + xb + xc)/2 (mod 2).

Задача(i) Докажите, что не существует вероятностной стратегии в игреМермина, которая гарантировала бы (с вероятностью 1) победуигроков, даже если они используют общий генератор случайности.(ii) Постройте стратегию с общим генератором случайности, прикоторой вероятность выигрыша 3/4.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 27 / 29

Page 105: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Игра Мермина

Условия: Алиса, Боб и Чарли рассаживаются по хорошоизолированным камерам. Каждый из них получает один бит: xa, xb,xc . Им заранее известно, что либо ровно два значения из выданныхбитов равны 1, либо все биты равны 0. Другими словами,

xa + xb + xc ≡ 0 (mod 2).

Каждый из игроков должен сообщить один бит: ya, yb, yc .Цель: Игроки выигрывают, если

ya + yb + yc ≡ (xa + xb + xc)/2 (mod 2).

Задача(i) Докажите, что не существует вероятностной стратегии в игреМермина, которая гарантировала бы (с вероятностью 1) победуигроков, даже если они используют общий генератор случайности.(ii) Постройте стратегию с общим генератором случайности, прикоторой вероятность выигрыша 3/4.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 27 / 29

Page 106: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Игра Мермина

Условия: Алиса, Боб и Чарли рассаживаются по хорошоизолированным камерам. Каждый из них получает один бит: xa, xb,xc . Им заранее известно, что либо ровно два значения из выданныхбитов равны 1, либо все биты равны 0. Другими словами,

xa + xb + xc ≡ 0 (mod 2).

Каждый из игроков должен сообщить один бит: ya, yb, yc .Цель: Игроки выигрывают, если

ya + yb + yc ≡ (xa + xb + xc)/2 (mod 2).

Задача(i) Докажите, что не существует вероятностной стратегии в игреМермина, которая гарантировала бы (с вероятностью 1) победуигроков, даже если они используют общий генератор случайности.(ii) Постройте стратегию с общим генератором случайности, прикоторой вероятность выигрыша 3/4.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 27 / 29

Page 107: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Как победить в игре Мермина

1 Используется предварительная сцепленность. До того, какигроков рассадили по камерам, они готовят состояние GHZ

1√2

(|000〉+ |111〉

)и забирают с собой в камеру по одному из кубитов.

2 Получив бит x , игрок применяет условный фазовый сдвиг ксвоему кубиту:

S : |0〉 7→ |0〉, S : |1〉 7→ ix |1〉,

3 затем применяет преобразование Адамара H,4 после чего производит измерение своего кубита и сообщает

наблюдаемый исход.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 28 / 29

Page 108: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Как победить в игре Мермина

1 Используется предварительная сцепленность. До того, какигроков рассадили по камерам, они готовят состояние GHZ

1√2

(|000〉+ |111〉

)и забирают с собой в камеру по одному из кубитов.

2 Получив бит x , игрок применяет условный фазовый сдвиг ксвоему кубиту:

S : |0〉 7→ |0〉, S : |1〉 7→ ix |1〉,

3 затем применяет преобразование Адамара H,4 после чего производит измерение своего кубита и сообщает

наблюдаемый исход.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 28 / 29

Page 109: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Как победить в игре Мермина

1 Используется предварительная сцепленность. До того, какигроков рассадили по камерам, они готовят состояние GHZ

1√2

(|000〉+ |111〉

)и забирают с собой в камеру по одному из кубитов.

2 Получив бит x , игрок применяет условный фазовый сдвиг ксвоему кубиту:

S : |0〉 7→ |0〉, S : |1〉 7→ ix |1〉,

3 затем применяет преобразование Адамара H,4 после чего производит измерение своего кубита и сообщает

наблюдаемый исход.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 28 / 29

Page 110: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Как победить в игре Мермина

1 Используется предварительная сцепленность. До того, какигроков рассадили по камерам, они готовят состояние GHZ

1√2

(|000〉+ |111〉

)и забирают с собой в камеру по одному из кубитов.

2 Получив бит x , игрок применяет условный фазовый сдвиг ксвоему кубиту:

S : |0〉 7→ |0〉, S : |1〉 7→ ix |1〉,

3 затем применяет преобразование Адамара H,4 после чего производит измерение своего кубита и сообщает

наблюдаемый исход.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 28 / 29

Page 111: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Почему это работает?

Перед условным фазовом сдвигом состояние трех кубитов:1√2

(|000〉+ |111〉

).

После условного фазового сдвига оно изменяется на

1√2

(|000〉+ ixa+xb+xc |111〉

)=

=

1√2

(|000〉+ |111〉

), если xa + xb + xc = 0 (случай (ч));

1√2

(|000〉 − |111〉

), если xa + xb + xc = 2 (случай (н)).

ЗадачаПроверьте, что после применения преобразования Адамара к каждомуиз кубитов в случае (ч) получается сумма базисных состояний счетным числом единиц, а в случае (н) — с нечетным числом единиц.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 29 / 29

Page 112: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Почему это работает?

Перед условным фазовом сдвигом состояние трех кубитов:1√2

(|000〉+ |111〉

).

После условного фазового сдвига оно изменяется на

1√2

(|000〉+ ixa+xb+xc |111〉

)=

=

1√2

(|000〉+ |111〉

), если xa + xb + xc = 0 (случай (ч));

1√2

(|000〉 − |111〉

), если xa + xb + xc = 2 (случай (н)).

ЗадачаПроверьте, что после применения преобразования Адамара к каждомуиз кубитов в случае (ч) получается сумма базисных состояний счетным числом единиц, а в случае (н) — с нечетным числом единиц.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 29 / 29

Page 113: Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения, весна 2011: Нижние оценки квантовой коммуникационной

Почему это работает?

Перед условным фазовом сдвигом состояние трех кубитов:1√2

(|000〉+ |111〉

).

После условного фазового сдвига оно изменяется на

1√2

(|000〉+ ixa+xb+xc |111〉

)=

=

1√2

(|000〉+ |111〉

), если xa + xb + xc = 0 (случай (ч));

1√2

(|000〉 − |111〉

), если xa + xb + xc = 2 (случай (н)).

ЗадачаПроверьте, что после применения преобразования Адамара к каждомуиз кубитов в случае (ч) получается сумма базисных состояний счетным числом единиц, а в случае (н) — с нечетным числом единиц.

М. Вялый (ВЦ РАН) Лекция 5 Санкт-Петербург, 2011 29 / 29