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arXiv:2003.13065 · Leibniz international proceedings in informatics

Two Combinatorial MA-Complete Problems

Dorit Aharonov, Alex B. Grilo

Published Mar 29, 2020• 2 citations
arXivHTMLPDF

Abstract

Despite the interest in the complexity class MA, the randomized analog of NP, just a few natural MA-complete problems are known. The first problem was found by (Bravyi and Terhal, SIAM Journal of Computing 2009); it was then followed by (Crosson, Bacon and Brown, PRE 2010) and (Bravyi, Quantum Information and Computation 2015). Surprisingly, two of these problems are defined using terminology from quantum computation, while the third is inspired by quantum computation and keeps a physical terminology. This prevents classical complexity theorists from studying these problems, delaying potential progress, e.g., on the NP vs. MA question. Here, we define two new combinatorial problems and prove their MA-completeness. The first problem, ACAC, gets as input a succinctly described graph, with some marked vertices. The problem is to decide whether there is a connected component with only unmarked vertices, or the graph is far from having this property. The second problem, SetCSP, generalizes standard constraint satisfaction problem (CSP) into constraints involving sets of strings. Technically, our proof that SetCSP is MA-complete is based on an observation by (Aharonov and Grilo, FOCS 2019), in which it was noted that a restricted case of Bravyi and Terhal's problem (namely, the uniform case) is already MA-complete; a simple trick allows to state this restricted case using combinatorial language. The fact that the first, more natural, problem of ACAC is MA-hard follows quite naturally from this proof, while the containment of ACAC in MA is based on the theory of random walks. We notice that the main result of Aharonov and Grilo carries over to the SetCSP problem in a straightforward way, implying that finding a gap-amplification procedure for SetCSP (as in Dinur's PCP proof) is equivalent to MA=NP. This provides an alternative new path towards the major problem of derandomizing MA.

DOI
10.4230/lipics.itcs.2021.36

Related papers

The status of the quantum PCP conjecture (games version)

Anand Natarajan, Chinmay Nirkhe

In classical complexity theory, the two definitions of probabilistically checkable proofs -- the constraint satisfaction and the nonlocal games version -- are computationally equal in power. In the quantum setting, the situation is far less clear. The result MIP* = RE of Ji et. al. (arXiv:2001.04383) and refinements by Natarajan and Zhang (arXiv:2302.04322) show that multiprover interactive proof systems with polylogarithmically long messages can solve any decision problem in RE, including undecidable problems like the halting problem. These results show that any connection between the "constraint satisfaction" or "Hamiltonian" quantum PCP conjecture and nonlocal games must involve restricting the players in the game to be computationally efficient. This note contains two main results: (1) we give a "quantum games PCP for AM" in the form of a new construction of a succinct MIP* protocol with efficient provers for the canonical AM-complete problem, and (2) we explain an error in the energy amplification procedure of Natarajan and Vidick (arXiv:1710.03062) which invalidates their claim to have constructed a quantum games PCP for a QMA-complete problem. In surveying the obstacles remaining towards a quantum games PCP for QMA, we highlight the importance and challenge of understanding gap amplification for Hamiltonians even when locality is replaced by much weaker constraints, such as bounds on the "Pauli spectrum" of the Hamiltonian. We hope these questions will motivate progress towards new "baby versions" of Hamiltonian quantum PCP conjecture.

arXiv:2403.13084•Mar 19, 2024•1 citation

Quantum Computation, Markov Chains and Combinatorial Optimisation

Danial Dervovic

This thesis addresses two questions related to the title, Quantum Computation, Markov Chains and Combinatorial Optimisation. The first question involves an algorithmic primitive of quantum computation, quantum walks on graphs, and its relation to Markov Chains. Quantum walks have been shown in certain cases to mix faster than their classical counterparts. Lifted Markov chains, consisting of a Markov chain on an extended state space which is projected back down to the original state space, also show considerable speedups in mixing time. We design a lifted Markov chain that in some sense simulates any quantum walk. Concretely, we construct a lifted Markov chain on a connected graph G with n vertices that mixes exactly to the average mixing distribution of a quantum walk on G. Moreover, the mixing time of this chain is the diameter of G. We then consider practical consequences of this result. In the second part of this thesis we address a classic unsolved problem in combinatorial optimisation, graph isomorphism. A theorem of Kozen states that two graphs on n vertices are isomorphic if and only if there is a clique of size n in the weak modular product of the two graphs. Furthermore, a straightforward corollary of this theorem and Lovász’s sandwich theorem is if the weak modular product between two graphs is perfect, then checking if the graphs are isomorphic is polynomial in n. We enumerate the necessary and sufficient conditions for the weak modular product of two simple graphs to be perfect. Interesting cases include complete multipartite graphs and disjoint unions of cliques. We find that all perfect weak modular products have factors that fall into classes of graphs for which testing isomorphism is already known to be polynomial in the number of vertices. Open questions and further research directions are discussed.

•Mar 28, 2020•1 citation

Quantum Constraint Problems can be complete for $\mathsf{BQP}$, $\mathsf{QCMA}$, and more

Alex Meiburg

A quantum constraint problem is a frustration-free Hamiltonian problem: given a collection of local operators, is there a state that is in the ground state of each operator simultaneously? It has previously been shown that these problems can be in P, NP-complete, MA-complete, or QMA_1-complete, but this list has not been shown to be exhaustive. We present three quantum constraint problems, that are (1) BQP_1-complete (also known as coRQP), (2) QCMA_1-complete and (3) coRP-complete. This provides the first natural complete problem for BQP_1. We also show that all quantum constraint problems can be realized on qubits, a trait not shared with classical constraint problems. These results suggest a significant diversity of complexity classes present in quantum constraint problems.

arXiv:2101.08381•Jan 21, 2021•0 citations

Analog Quantum Computing for NP-Hard Combinatorial Graph Problems

Arthur Braida

Calcul analogique quantique pour des problèmes combinatoires sur graphes NP-difficile L'objectif principal de cette thèse est de fournir un éclairage théorique de la complexité du calcul quantique en temps continu (QA et AQC), de la compréhension du phénomène physique (AC) qui conduit à l'échec de l'AQC jusqu'à des preuves de performance de QA en temps court et constant. Pour atteindre cet objectif, nous utilisons différents outils analytiques empruntés à la physique théorique, comme l'analyse perturbative des systèmes quantiques et la borne de Lieb-Robinson sur la vitesse de corrélation dans les systèmes quantiques. La manipulation des graphes et la théorie spectrale des graphes sont nécessaires pour obtenir des résultats sur des classes spécifiques de graphes. Nous avons également introduit une nouvelle version paramétrée du QA standard afin d'affiner l'analyse.Tout d'abord, nous souhaitons obtenir une définition mathématique d'un AC afin d'en faciliter la compréhension lors de l'étude d'une classe spécifique de graphes sur lesquels nous souhaitons résoudre le problème de Maximum Cut. En plus de l'appui analytique que nous développons, nous apportons une étude numérique pour justifier la nature plus générale de notre définition par rapport à la précédente. Grâce à une analyse perturbative, nous parvenons à montrer que sur les graphes bipartis, un gap de fermeture exponentielle peut apparaître si le graphe est suffisamment irrégulier. Notre nouvelle définition de l'AC nous permet de remettre en question l'efficacité de l'AQC pour le résoudre malgré le temps d'exécution exponentiellement long que le théorème adiabatique impose pour garantir la solution optimale. Le deuxième axe est consacré à la performance du QA en temps constant court. Bien que le QA soit intrinsèquement non-local, la borne de LR nous permet de l'approximer avec une évolution locale. Une première approche est utilisée pour développer la méthode et montrer la non trivialité du résultat, c'est-à-dire au-dessus du choix aléatoire. Ensuite, nous définissons une notion d'analyse locale en exprimant le ratio d'approximation avec la seule connaissance de la structure locale. Une borne LR fine et adaptative est développée, nous permettant de trouver une valeur numérique du ratio d'approximation surpassant les algorithmes quantiques et classiques (strictement) locaux. Tous ces travaux de recherche ont été poursuivis entre l'équipe QuantumLab d'Eviden et l'équipe Graphes, Algorithmes et Modèles de Calcul (GAMoC) du Laboratoire d'Informatique Fondamentale d'Orléans (LIFO). Le travail numérique a été implémenté en utilisant le langage de programmation Julia ainsi que Python avec le logiciel QAPTIVA d'Eviden pour simuler efficacement l'équation de Schrödinger.

•Jun 20, 2024•0 citations

Stoquastic PCP vs. Randomness

Dorit Aharonov, Alex B. Grilo

The derandomization of MA, the probabilistic version of NP, is a long standing open question. In this work, we connect this problem to a variant of another major problem: the quantum PCP conjecture. Our connection goes through the surprising quantum characterization of MA by Bravyi and Terhal. They proved the MA-completeness of the problem of deciding whether the groundenergy of a uniform stoquastic local Hamiltonian is zero or inverse polynomial. We show that the gapped version of this problem, i.e. deciding if a given uniform stoquastic local Hamiltonian is frustration-free or has energy at least some constant ε, is in NP. Thus, if there exists a gap-amplification procedure for uniform stoquastic Local Hamiltonians (in analogy to the gap amplification procedure for constraint satisfaction problems in the original PCP theorem), then MA = NP (and vice versa). Furthermore, if this gap amplification procedure exhibits some additional (natural) properties, then P = RP. We feel this work opens up a rich set of new directions to explore, which might lead to progress on both quantum PCP and derandomization. We also provide two small side results of potential interest. First, we are able to generalize our result by showing that deciding if a uniform stoquastic Local Hamiltonian has negligible or constant frustration can be also solved in NP. Additionally, our work reveals a new MA-complete problem which we call SetCSP, stated in terms of classical constraints on strings of bits, which we define in the appendix. As far as we know this is the first (arguably) natural MA-complete problem stated in non-quantum CSP language.

arXiv:1901.05270•Annual Symposium on Foundations of Computer Science•Nov 1, 2019•11 citations

Analog Quantum Computing for NP-Hard Combinatorial Graph Problems

Arthur Braida

L'objectif principal de cette thèse est de fournir un éclairage théorique de la complexité du calcul quantique en temps continu (QA et AQC), de la compréhension du phénomène physique (AC) qui conduit à l'échec de l'AQC jusqu'à des preuves de performance de QA en temps court et constant. Pour atteindre cet objectif, nous utilisons différents outils analytiques empruntés à la physique théorique, comme l'analyse perturbative des systèmes quantiques et la borne de Lieb-Robinson sur la vitesse de corrélation dans les systèmes quantiques. La manipulation des graphes et la théorie spectrale des graphes sont nécessaires pour obtenir des résultats sur des classes spécifiques de graphes. Nous avons également introduit une nouvelle version paramétrée du QA standard afin d'affiner l'analyse.Tout d'abord, nous souhaitons obtenir une définition mathématique d'un AC afin d'en faciliter la compréhension lors de l'étude d'une classe spécifique de graphes sur lesquels nous souhaitons résoudre le problème de Maximum Cut. En plus de l'appui analytique que nous développons, nous apportons une étude numérique pour justifier la nature plus générale de notre définition par rapport à la précédente. Grâce à une analyse perturbative, nous parvenons à montrer que sur les graphes bipartis, un gap de fermeture exponentielle peut apparaître si le graphe est suffisamment irrégulier. Notre nouvelle définition de l'AC nous permet de remettre en question l'efficacité de l'AQC pour le résoudre malgré le temps d'exécution exponentiellement long que le théorème adiabatique impose pour garantir la solution optimale. Le deuxième axe est consacré à la performance du QA en temps constant court. Bien que le QA soit intrinsèquement non-local, la borne de LR nous permet de l'approximer avec une évolution locale. Une première approche est utilisée pour développer la méthode et montrer la non trivialité du résultat, c'est-à-dire au-dessus du choix aléatoire. Ensuite, nous définissons une notion d'analyse locale en exprimant le ratio d'approximation avec la seule connaissance de la structure locale. Une borne LR fine et adaptative est développée, nous permettant de trouver une valeur numérique du ratio d'approximation surpassant les algorithmes quantiques et classiques (strictement) locaux. Tous ces travaux de recherche ont été poursuivis entre l'équipe QuantumLab d'Eviden et l'équipe Graphes, Algorithmes et Modèles de Calcul (GAMoC) du Laboratoire d'Informatique Fondamentale d'Orléans (LIFO). Le travail numérique a été implémenté en utilisant le langage de programmation Julia ainsi que Python avec le logiciel QAPTIVA d'Eviden pour simuler efficacement l'équation de Schrödinger.

•Jun 20, 2024•0 citations
Despite the interest in the complexity class MA, the randomized analog of NP, just a few natural MA-complete problems are known. The first problem was found by (Bravyi and Terhal, SIAM Journal of Computing 2009); it was then followed by (Crosson, Bacon and Brown, PRE 2010) and (Bravyi, Quantum Information and Computation 2015). Surprisingly, two of these problems are defined using terminology from quantum computation, while the third is inspired by quantum computation and keeps a physical terminology. This prevents classical complexity theorists from studying these problems, delaying potential progress, e.g., on the NP vs. MA question. Here, we define two new combinatorial problems and prove their MA-completeness. The first problem, ACAC, gets as input a succinctly described graph, with some marked vertices. The problem is to decide whether there is a connected component with only unmarked vertices, or the graph is far from having this property. The second problem, SetCSP, generalizes standard constraint satisfaction problem (CSP) into constraints involving sets of strings. Technically, our proof that SetCSP is MA-complete is based on an observation by (Aharonov and Grilo, FOCS 2019), in which it was noted that a restricted case of Bravyi and Terhal's problem (namely, the uniform case) is already MA-complete; a simple trick allows to state this restricted case using combinatorial language. The fact that the first, more natural, problem of ACAC is MA-hard follows quite naturally from this proof, while the containment of ACAC in MA is based on the theory of random walks. We notice that the main result of Aharonov and Grilo carries over to the SetCSP problem in a straightforward way, implying that finding a gap-amplification procedure for SetCSP (as in Dinur's PCP proof) is equivalent to MA=NP. This provides an alternative new path towards the major problem of derandomizing MA.
In classical complexity theory, the two definitions of probabilistically checkable proofs -- the constraint satisfaction and the nonlocal games version -- are computationally equal in power. In the quantum setting, the situation is far less clear. The result MIP* = RE of Ji et. al. (arXiv:2001.04383) and refinements by Natarajan and Zhang (arXiv:2302.04322) show that multiprover interactive proof systems with polylogarithmically long messages can solve any decision problem in RE, including undecidable problems like the halting problem. These results show that any connection between the "constraint satisfaction" or "Hamiltonian" quantum PCP conjecture and nonlocal games must involve restricting the players in the game to be computationally efficient. This note contains two main results: (1) we give a "quantum games PCP for AM" in the form of a new construction of a succinct MIP* protocol with efficient provers for the canonical AM-complete problem, and (2) we explain an error in the energy amplification procedure of Natarajan and Vidick (arXiv:1710.03062) which invalidates their claim to have constructed a quantum games PCP for a QMA-complete problem. In surveying the obstacles remaining towards a quantum games PCP for QMA, we highlight the importance and challenge of understanding gap amplification for Hamiltonians even when locality is replaced by much weaker constraints, such as bounds on the "Pauli spectrum" of the Hamiltonian. We hope these questions will motivate progress towards new "baby versions" of Hamiltonian quantum PCP conjecture.
This thesis addresses two questions related to the title, Quantum Computation, Markov Chains and Combinatorial Optimisation. The first question involves an algorithmic primitive of quantum computation, quantum walks on graphs, and its relation to Markov Chains. Quantum walks have been shown in certain cases to mix faster than their classical counterparts. Lifted Markov chains, consisting of a Markov chain on an extended state space which is projected back down to the original state space, also show considerable speedups in mixing time. We design a lifted Markov chain that in some sense simulates any quantum walk. Concretely, we construct a lifted Markov chain on a connected graph G with n vertices that mixes exactly to the average mixing distribution of a quantum walk on G. Moreover, the mixing time of this chain is the diameter of G. We then consider practical consequences of this result. In the second part of this thesis we address a classic unsolved problem in combinatorial optimisation, graph isomorphism. A theorem of Kozen states that two graphs on n vertices are isomorphic if and only if there is a clique of size n in the weak modular product of the two graphs. Furthermore, a straightforward corollary of this theorem and Lovász’s sandwich theorem is if the weak modular product between two graphs is perfect, then checking if the graphs are isomorphic is polynomial in n. We enumerate the necessary and sufficient conditions for the weak modular product of two simple graphs to be perfect. Interesting cases include complete multipartite graphs and disjoint unions of cliques. We find that all perfect weak modular products have factors that fall into classes of graphs for which testing isomorphism is already known to be polynomial in the number of vertices. Open questions and further research directions are discussed.
Quantum Constraint Problems can be complete for BQP\mathsf{BQP}BQP, QCMA\mathsf{QCMA}QCMA, and more
A quantum constraint problem is a frustration-free Hamiltonian problem: given a collection of local operators, is there a state that is in the ground state of each operator simultaneously? It has previously been shown that these problems can be in P, NP-complete, MA-complete, or QMA_1-complete, but this list has not been shown to be exhaustive. We present three quantum constraint problems, that are (1) BQP_1-complete (also known as coRQP), (2) QCMA_1-complete and (3) coRP-complete. This provides the first natural complete problem for BQP_1. We also show that all quantum constraint problems can be realized on qubits, a trait not shared with classical constraint problems. These results suggest a significant diversity of complexity classes present in quantum constraint problems.
Calcul analogique quantique pour des problèmes combinatoires sur graphes NP-difficile L'objectif principal de cette thèse est de fournir un éclairage théorique de la complexité du calcul quantique en temps continu (QA et AQC), de la compréhension du phénomène physique (AC) qui conduit à l'échec de l'AQC jusqu'à des preuves de performance de QA en temps court et constant. Pour atteindre cet objectif, nous utilisons différents outils analytiques empruntés à la physique théorique, comme l'analyse perturbative des systèmes quantiques et la borne de Lieb-Robinson sur la vitesse de corrélation dans les systèmes quantiques. La manipulation des graphes et la théorie spectrale des graphes sont nécessaires pour obtenir des résultats sur des classes spécifiques de graphes. Nous avons également introduit une nouvelle version paramétrée du QA standard afin d'affiner l'analyse.Tout d'abord, nous souhaitons obtenir une définition mathématique d'un AC afin d'en faciliter la compréhension lors de l'étude d'une classe spécifique de graphes sur lesquels nous souhaitons résoudre le problème de Maximum Cut. En plus de l'appui analytique que nous développons, nous apportons une étude numérique pour justifier la nature plus générale de notre définition par rapport à la précédente. Grâce à une analyse perturbative, nous parvenons à montrer que sur les graphes bipartis, un gap de fermeture exponentielle peut apparaître si le graphe est suffisamment irrégulier. Notre nouvelle définition de l'AC nous permet de remettre en question l'efficacité de l'AQC pour le résoudre malgré le temps d'exécution exponentiellement long que le théorème adiabatique impose pour garantir la solution optimale. Le deuxième axe est consacré à la performance du QA en temps constant court. Bien que le QA soit intrinsèquement non-local, la borne de LR nous permet de l'approximer avec une évolution locale. Une première approche est utilisée pour développer la méthode et montrer la non trivialité du résultat, c'est-à-dire au-dessus du choix aléatoire. Ensuite, nous définissons une notion d'analyse locale en exprimant le ratio d'approximation avec la seule connaissance de la structure locale. Une borne LR fine et adaptative est développée, nous permettant de trouver une valeur numérique du ratio d'approximation surpassant les algorithmes quantiques et classiques (strictement) locaux. Tous ces travaux de recherche ont été poursuivis entre l'équipe QuantumLab d'Eviden et l'équipe Graphes, Algorithmes et Modèles de Calcul (GAMoC) du Laboratoire d'Informatique Fondamentale d'Orléans (LIFO). Le travail numérique a été implémenté en utilisant le langage de programmation Julia ainsi que Python avec le logiciel QAPTIVA d'Eviden pour simuler efficacement l'équation de Schrödinger.
The derandomization of MA, the probabilistic version of NP, is a long standing open question. In this work, we connect this problem to a variant of another major problem: the quantum PCP conjecture. Our connection goes through the surprising quantum characterization of MA by Bravyi and Terhal. They proved the MA-completeness of the problem of deciding whether the groundenergy of a uniform stoquastic local Hamiltonian is zero or inverse polynomial. We show that the gapped version of this problem, i.e. deciding if a given uniform stoquastic local Hamiltonian is frustration-free or has energy at least some constant ε, is in NP. Thus, if there exists a gap-amplification procedure for uniform stoquastic Local Hamiltonians (in analogy to the gap amplification procedure for constraint satisfaction problems in the original PCP theorem), then MA = NP (and vice versa). Furthermore, if this gap amplification procedure exhibits some additional (natural) properties, then P = RP. We feel this work opens up a rich set of new directions to explore, which might lead to progress on both quantum PCP and derandomization. We also provide two small side results of potential interest. First, we are able to generalize our result by showing that deciding if a uniform stoquastic Local Hamiltonian has negligible or constant frustration can be also solved in NP. Additionally, our work reveals a new MA-complete problem which we call SetCSP, stated in terms of classical constraints on strings of bits, which we define in the appendix. As far as we know this is the first (arguably) natural MA-complete problem stated in non-quantum CSP language.
L'objectif principal de cette thèse est de fournir un éclairage théorique de la complexité du calcul quantique en temps continu (QA et AQC), de la compréhension du phénomène physique (AC) qui conduit à l'échec de l'AQC jusqu'à des preuves de performance de QA en temps court et constant. Pour atteindre cet objectif, nous utilisons différents outils analytiques empruntés à la physique théorique, comme l'analyse perturbative des systèmes quantiques et la borne de Lieb-Robinson sur la vitesse de corrélation dans les systèmes quantiques. La manipulation des graphes et la théorie spectrale des graphes sont nécessaires pour obtenir des résultats sur des classes spécifiques de graphes. Nous avons également introduit une nouvelle version paramétrée du QA standard afin d'affiner l'analyse.Tout d'abord, nous souhaitons obtenir une définition mathématique d'un AC afin d'en faciliter la compréhension lors de l'étude d'une classe spécifique de graphes sur lesquels nous souhaitons résoudre le problème de Maximum Cut. En plus de l'appui analytique que nous développons, nous apportons une étude numérique pour justifier la nature plus générale de notre définition par rapport à la précédente. Grâce à une analyse perturbative, nous parvenons à montrer que sur les graphes bipartis, un gap de fermeture exponentielle peut apparaître si le graphe est suffisamment irrégulier. Notre nouvelle définition de l'AC nous permet de remettre en question l'efficacité de l'AQC pour le résoudre malgré le temps d'exécution exponentiellement long que le théorème adiabatique impose pour garantir la solution optimale. Le deuxième axe est consacré à la performance du QA en temps constant court. Bien que le QA soit intrinsèquement non-local, la borne de LR nous permet de l'approximer avec une évolution locale. Une première approche est utilisée pour développer la méthode et montrer la non trivialité du résultat, c'est-à-dire au-dessus du choix aléatoire. Ensuite, nous définissons une notion d'analyse locale en exprimant le ratio d'approximation avec la seule connaissance de la structure locale. Une borne LR fine et adaptative est développée, nous permettant de trouver une valeur numérique du ratio d'approximation surpassant les algorithmes quantiques et classiques (strictement) locaux. Tous ces travaux de recherche ont été poursuivis entre l'équipe QuantumLab d'Eviden et l'équipe Graphes, Algorithmes et Modèles de Calcul (GAMoC) du Laboratoire d'Informatique Fondamentale d'Orléans (LIFO). Le travail numérique a été implémenté en utilisant le langage de programmation Julia ainsi que Python avec le logiciel QAPTIVA d'Eviden pour simuler efficacement l'équation de Schrödinger.