We give new quantum algorithms for evaluating composed functions whose inputs may be shared between bottom-level gates. Let $f$ be an $m$-bit Boolean function and consider an $n$-bit function $F$ obtained by applying $f$ to conjunctions of possibly overlapping subsets of $n$ variables. If $f$ has quantum query complexity $Q(f)$, we give an algorithm for evaluating $F$ using $\tilde{O}(\sqrt{Q(f) \cdot n})$ quantum queries. This improves on the bound of $O(Q(f) \cdot \sqrt{n})$ that follows by treating each conjunction independently, and our bound is tight for worst-case choices of $f$. Using completely different techniques, we prove a similar tight composition theorem for the approximate degree of $f$. By recursively applying our composition theorems, we obtain a nearly optimal $\tilde{O}(n^{1-2^{-d}})$ upper bound on the quantum query complexity and approximate degree of linear-size depth-$d$ AC$^0$ circuits. As a consequence, such circuits can be PAC learned in subexponential time, even in the challenging agnostic setting. Prior to our work, a subexponential-time algorithm was not known even for linear-size depth-3 AC$^0$ circuits. As an additional consequence, we show that AC$^0 \circ \oplus$ circuits of depth $d+1$ require size $\tilde{\Omega}(n^{1/(1- 2^{-d})}) \geq \omega(n^{1+ 2^{-d}} )$ to compute the Inner Product function even on average. The previous best size lower bound was $\Omega(n^{1+4^{-(d+1)}})$ and only held in the worst case (Cheraghchi et al., JCSS 2018).


翻译:我们给出新的量子算法来评价其投入可能由下层门共享的构成函数。 让 $F 成为 J( f) 美元 Boolean 函数, 并考虑通过对可能重叠的子子集( $美元) 组合应用$n美元获得的 $- bit 函数。 如果$f 具有数量查询复杂性 Q( f) 美元, 我们给出了一个用于使用 $\ telde{O} (sqrt} (f)\ cd) 美元 量子查询的计算法。 美元( Q) 美元 (c) 深度为 2美元, 美元为2美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 以 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 等, 。 。 等, 。 。 。 。 。 等, 。 。 。 。 。 。 。 等, 。 。 等, 。 。 。 。 。 美元, 。 等, 。 等, 。

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