姚班本科生FOCS发文 解决计算复杂性领域开放问题

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2017年07月17日

姚班计科30班陈立杰同学的研究论文《On the Power of Statistical Zero Knowledge71日被第五十八届IEEE计算机科学基础年会(58th Annual IEEE Symposium on Foundations of Computer ScienceFOCS 2017)接收。该论文是陈立杰同学2016年与美国麻省理工学院及雅虎的几位合作者共同完成的,解决了计算复杂性领域的一个重要难题。

零知识证明(zero knowledge proofs systems)在密码学理论和复杂度理论中都有着非常重要的地位。具体来讲,在一个零知识证明系统中,一个证明者要向一个验证者在证明一个命题的正确性的同时,不能让验证者获得除了这个命题的正确性以外的任何信息。 而其中要求最苛刻的被称为统计零知识证明系统(statistical zero knowledge proofs systems,简称SZK)

       访问MIT期间,陈立杰同学发现了指导教师Scott Aaronson教授2010年在STOC会议上发表的研究BQP复杂类(BQP表示量子算法在多项式时间内可以计算的问题的集合)的论文中,关于BQPSZK复杂类之间关系的证明存在漏洞,并写了一篇论文弥补此漏洞,得到指导教授的高度评价。

在指导老师的鼓励下,陈立杰与合作者研究了SZK和另一个复杂度类PP的关系,PP代表多项式时间内可以以严格大于1/2的概率计算正确的问题的集合。该问题在2002年由著名量子信息学者John Watrous教授提出,在当时Scott Aaronson博士构造了一个SZKBQP之间的喻示分割,说明了并不存在一个量子的黑盒算法可以破解SZK。在很多情况下,如果将量子力学的法则稍作修改,就可能得具有更强大的计算能力的计算复杂度类,但这些复杂度类基本都包含于PP之中,可见复杂度类PPBQP的一个最自然的拓展。陈立杰与合作者在论文中给出了一个SZKPP的喻示分割(Oracle Separation),这代表了PP中没有一个黑盒算法(black box algorithm) 可以解决SZK中的全部问题。换句话说,他们证明哪怕有比量子计算(对应BQP)更强计算能力的计算机(对应PP),依然没有黑盒算法可以解决SZK中的所有问题。

该研究工作也顺带提出一些新的喻示分割,并且给出了关于通信复杂度(Communication Complexity)类的结构的一些结果。陈立杰是论文的主要贡献者之一,结合了之前提出的一些工具,构造了SZKPP之间的喻示分割,随后又与合作者一起加强了这个结论。

FOCS是理论计算机领域最顶级的国际学术会议,已连续举办57届,拥有极高的领域影响力,本年度论文接收率约为27.9%FOCS 2017将于十月在美国加州召开,届时该论文将在大会上以报告形式进行展示。