随机峰值电路的复杂性与难度
近期可行性、经典计算难度和可验证性是展示量子优势的三个要求;大多数现有的量子优势方案最多只能实现其中两个。最近提出的一个有前景的候选方案是通过随机生成的“峰值电路”:这些量子电路看起来是随机的,但在其中一个输出字符串上具有高输出权重。在这项工作中,该研究团队研究与[AZ24]中研究模型密切相关的随机峰值电路的显式构造。该构造首先选择一个多项式大小的随机电路C,形成一个k-设计。随后,从相同架构中选择第二个随机电路C',但需满足后选择标准:C'必须在其某一行与C表现出高度重叠。这两个电路的组合P=C'†C产生一个峰值电路,其中每个门的局部特性看起来是随机的。
利用酉设计理论特性,该研究团队证明通过这种方法生成的电路是非平凡的;具体而言,C'被证明远离C†。实际上,以极高的概率,通过这种方式生成的随机峰值电路是不可压缩的,并且具有电路复杂度Ω~(n√k)。这解决了Aaronson在2022年[Aar22]提出的一个开放性问题:它表明随机选择的峰值电路极有可能是非平凡的。
其次,采用多项式方法,该研究团队分析性地证明,即使已知峰值字符串,从略微扰动的随机峰值电路分布中采样电路的峰值度估计,在2^-poly(n)加性误差范围内,是平均情况#P难的。当加性误差放宽到1/poly(n)时,该研究团队注意到这个问题的极端情况是BQP完全的。在广泛接受的关于随机量子电路的假设下,该研究团队确定了一个机制,在该机制中,没有经典多项式时间顺序模拟器(逐门模拟量子状态)能在不可忽略的一部分实例上达到峰值上的逆多项式加性精度。
第三,该研究团队研究使用峰值电路作为可验证量子优势协议的实际尝试。虽然生成峰值电路的后选择方法可能成本高昂,但该研究团队证明,通过随机初始化数值搜索C'成功返回随机峰值电路,实现了理论预测的特性。尽管仅靠数值优化无法超越经典可模拟范围的系统规模,但该研究团队提出了一种电路拼接方法,可在适合展示量子优势的范围内可靠地生成大型峰值电路。