学位論文要旨



No 121650
著者(漢字) ルガル,フランソワ
著者(英字)
著者(カナ) ルガル,フランソワ
標題(和) 資源制約下における量子計算モデルの計算能力
標題(洋) Resource-Bounded Quantum Computation
報告番号 121650
報告番号 甲21650
学位授与日 2006.03.23
学位種別 課程博士
学位種類 博士(情報理工学)
学位記番号 博情第75号
研究科 情報理工学系研究科
専攻 コンピュータ科学専攻
論文審査委員 主査: 東京大学 講師 渋谷,哲朗
 東京大学 教授 宮野,悟
 東京大学 助教授 五十嵐,健夫
 東京大学 特任助教授 林,正人
 国立情報学研究所 助教授 松本,啓史
内容要旨 要旨を表示する

Quantum computation is a recent computation paradigm based on the laws of quantum mechanics. Several results indicates that this computational model is more powerful than classical computation, the most famous being Shor's polynomial-time quantum algorithm solving integer factoring, a problem for which no polynomial time classical algorithm is known. In this dissertation, we further investigate the power of quantum computation models in the framework of computational complexity. We present three results showing that quantum computation is more resource-efficient than classical computation in the models of, respectively, time-bounded computation, nondeterministic communication complexity and space-bounded online computation.

In the first part of this dissertation we study time-efficient quantum algorithms for a group-theoretical problem called the Hidden Subgroup Problem (HSP), which asks to find a subgroup hidden in a group G. The case of G being an Abelian group is actually a simple generalization of the integer factoring problem and can be solved easily on a quantum computer. However, when G is a non-Abelian group, the problem becomes far more difficult and no general polynomial-time quantum algorithm is known. Among all the instances of non-Abelian HSPs, the HSP over the group called dihedral group has received most attention, mainly due to its relation to interesting lattice problems, but, so far, no polynomial-time quantum algorithm is known for this instance. The motivation of our work is the following: can we solve the HSP over groups "close" to the dihedral groups? To answer this question, we study the HSP over a large class of semi-direct product groups, that includes the dihedral groups, and show a classification of these groups into five classes of fundamental semi-direct product groups. Although the HSP over the class corresponding to the dihedral groups seems difficult, we present a polynomial-time quantum algorithm solving the HSP over all the groups of one of the other four classes. We then extend this algorithm, solving, in polynomial time, the HSP over a larger class of groups.

In the second part of this dissertation, we study space-bounded quantum computation under two structured models: the model of quantum communication complexity and the model of quantum online space complexity. From the principles of quantum mechanics, it is possible to encode n classical bits using a number of "quantum bits" logarithmic in n. A fundamental question is to understand for which computation tasks this property can be used to perform quantum computation using less work space, or less communication resource than in the classical setting.

We first study this problem in the framework of communication complexity, a model in which quantum computation has been proved to be stronger than classical computation. In this model two players, each possessing his own input, want to collaborate to compute the value of a Boolean function depending of both inputs, using as less communication resource as possible. We consider quantum nondeterministic communication complexity. There are two possible definitions of quantum nondeterminism: quantum strong nondeterminism and quantum weak nondeterminism. Although quantum strong nondeterminism is known to be more powerful than classical nondeterminism, the computational power of quantum weak nondeterminism was unknown before our work. We show the first separation between quantum weakly nondeterministic communication complexity and classical nondeterministic communication complexity for a total function. This result shows that quantum proof checking procedures are more communication-efficient than classical ones.

Our third contribution is the first explicit study of quantum online space complexity. We do not know whether a large scale quantum computer can be constructed or not, but it seems that the most severe problem is the construction of quantum memory. Studying what can be done with a small scale quantum memory is thus of paramount importance. It is known that, for space complexity, quantum Turing machines can achieve at most a quadratic gain over classical Turing machines. We show that, when the computation is online, that is, when the input is given one character at once, the situation changes dramatically: there exist languages that a quantum online Turing machine can accept using exponentially less work space than a classical online Turing machine. More precisely, we introduce a model of online quantum Turing machine, very natural and realistic, in which the classical and the quantum parts of the machine are completely separated. We then present a language that can be accepted by such an online quantum Turing machine using logarithm quantum work space, and prove that any online classical probabilistic Turing machine accepting it must use linear space. This leads to the first exponential separation between quantum and classical online bounded-error space complexity.

審査要旨 要旨を表示する

本論文は量子力学の原理に基づく新しい計算パラダイムである量子計算モデルのもとで、資源制約を課した場合のアルゴリズム及び計算複雑さを議論したものである。

本論文は五章よりなり、第一章では本論文で扱う量子計算の研究の背景および本論文のその中で占める位置について概観している。

第二章では、本論文が元としている量子計算の基本的な概念及び基本的なアルゴリズムについて解説を行っている。

第三章においては、隠れ部分群問題と呼ばれる量子計算機上での計算時間のクラスが未解決である非常に重要な問題を取り上げ、対象とする群がある条件を満たした時、この問題が量子計算機上において多項式時間で解くことが可能であることを始めて示している。

第四章からは、空間制約のある量子モデル上でのアルゴリズムについて議論している。通信の複雑さとはそれぞれ入力をもつ二者のそれぞれの入力の論理演算をするのにどれほどの空間計算量が必要か、という指標である。これは強非決定性の仮定の下では量子計算が古典計算より強力であることが知られているものの、弱非決定性の仮定の下での考察はなされていなかった。そこで第四章においては、弱非決定性量子計算においても通信の複雑さが非決定性古典計算の場合より強力であることを始めて示している。

さらに第五章においては、入力が1文字ずつであるようなオンラインの計算を行う際に対数領域制約下における一方向量子チューリング機械の受理する言語を受理する一方向古典チューリングマシンが線形領域を要する、すなわち量子領域計算量が古典領域計算量に対して指数的に異なることを始めて示している。

以上のように、本論文は量子計算の研究に対して相当な寄与を行っていることが認められる。なお、本論文の第三章は小林弘忠氏、乾義文氏、との共同研究であるが、論文提出者が主体となって解析を行ったもので、論文提出者の寄与が十分であると判断する。

よって本論文は博士(情報理工学)の学位請求論文として合格と認められる。

UTokyo Repositoryリンク