QMA-hardness of Consistency of Local Density Matrices with Applications to Quantum Zero-Knowledge
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Notice bibliographique
Résumé
We provide several advances to the understanding of the class of Quantum Merlin-Arthur proof systems (QMA), the quantum analogue of NP. Our central contribution is proving a longstanding conjecture that the Consistency of Local Density Matrices (CLDM) problem is QMA-hard under Karp reductions. The input of CLDM consists of local reduced density matrices on sets of at most k qubits, and the problem asks if there is an n-qubit global quantum state that is consistent with all of the k-qubit local density matrices. The containment of this problem in QMA and the QMA-hardness under Turing reductions were proved by Liu [APPROX-RANDOM 2006]. Liu also conjectured that CLDM is QMA-hard under Karp reductions, which is desirable for applications, and we finally prove this conjecture. We establish this result using the techniques of simulatable codes of Grilo, Slofstra, and Yuen [FOCS 2019], simplifying their proofs and tailoring them to the context of QMA. In order to develop applications of CLDM, we propose a framework that we call locally simulatable proofs for QMA: this provides QMA proofs that can be efficiently verified by probing only k qubits and, furthermore, the reduced density matrix of any k-qubit subsystem of an accepting witness can be computed in polynomial time, independently of the witness. Within this framework, we show advances in quantum zero-knowledge. We show the first commit-and-open computational zero-knowledge proof system for all of QMA, as a quantum analogue of a "sigma" protocol. We then define a Proof of Quantum Knowledge, which guarantees that a prover is effectively in possession of a quantum witness in an interactive proof, and show that our zero-knowledge proof system satisfies this definition. Finally, we show that our proof system can be used to establish that QMA has a quantum non-interactive zero-knowledge proof system in the secret parameter setting.
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Prédiction distillée sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Apprise à partir de 10 348 étiquettes directes de Codex et de 10 348 étiquettes directes de Gemma. Le mode candidate est l'union des têtes enseignantes seuillées; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont ni des étiquettes humaines ni des étiquettes directes de modèles de pointe.
Scores Codex et Gemma par catégorie
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,001 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,000 | 0,000 |
| Science ouverte | 0,002 | 0,002 |
| Intégrité de la recherche | 0,000 | 0,000 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,000 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
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score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découle