非纠缠的stoquastic Merlin-Arthur证明系统:无破坏性干涉的非纠缠能力

停滞量子性(Stoquasticity)源于无符号问题(sign problem)的物理系统,避免了符号相消带来的破坏性干涉,由此催生了由Bravyi、Bessen和Terhal(2006)提出的 𝖲𝗍𝗈𝗊𝖬𝖠类——一个介于𝖬𝖠与𝖠𝖬之间、受量子启发的中间类。无纠缠性(Unentanglement)同样催生了由Kobayashi、Matsumoto和Yamakami(CJTCS 2009)提出的𝖰𝖬𝖠(2)类,该类将𝖰𝖬𝖠推广至两个无纠缠证明,且目前仅具有平凡的𝖭𝖤𝖷𝖯上界。 在本工作中,该团队通过𝖲𝗍𝗈𝗊𝖬𝖠(2)(无纠缠停滞量子梅林-亚瑟证明系统类)首次系统性地研究了无破坏性干涉条件下无纠缠性的能力。尽管𝖲𝗍𝗈𝗊𝖬𝖠属于半量子类且可能坍缩至𝖬𝖠,但 𝖲𝗍𝗈𝗊𝖬𝖠(2)却展现出惊人的强大能力。该工作建立了以下结果: • 𝖭𝖯⊆𝖲𝗍𝗈𝗊𝖬𝖠(2),使用O~(n)量子比特证明,完备性误差为2−polylog(n),与已知最优的 𝖰𝖬𝖠(2)下界(除完美完备性外)相当。在上界方面, 𝖲𝗍𝗈𝗊𝖬𝖠(2)⊆𝖤𝖷𝖯基于Barak、Kelner和Steurer(STOC 2014)的平方和算法(Sum-of-Squares algorithm)。该工作改进的平方和上界表明,在指数时间假设(ETH)下,该工作协议与BKS算法中的参数均达到本质最优。 • 𝖲𝗍𝗈𝗊𝖬𝖠(2)1⊆𝖯𝖲𝖯𝖠𝖢𝖤,且该包含关系在完备性误差为 2−2poly(n)时成立。 • 𝖯𝗋𝖾𝖼𝗂𝗌𝖾𝖲𝗍𝗈𝗊𝖬𝖠(2)( 𝖲𝗍𝗈𝗊𝖬𝖠(2)的变体,具有指数级小的承诺间隙)无法实现完美完备性,除非𝖤𝖷𝖯=𝖭𝖤𝖷𝖯。相比之下, 𝖯𝗋𝖾𝖼𝗂𝗌𝖾𝖲𝗍𝗈𝗊𝖬𝖠可实现完美完备性,因为 𝖯𝖲𝖯𝖠𝖢𝖤⊆𝖯𝗋𝖾𝖼𝗂𝗌𝖾𝖲𝗍𝗈𝗊𝖬𝖠1。 • 当完备性误差可忽略时,对于 k≥2有 𝖲𝗍𝗈𝗊𝖬𝖠(k)=𝖲𝗍𝗈𝗊𝖬𝖠(2)。 该工作的下界通过分布测试技术对短证明 𝖰𝖬𝖠(2)协议进行停滞量子化而获得。近乎完美完备性情况的上界则通过该工作提出的矩形闭包测试框架(rectangular closure testing framework)证明,这是一种专门针对 𝖲𝗍𝗈𝗊𝖬𝖠(2)1的新型组合技术。

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提交arXiv: 2026-04-30 14:04

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