量子計算の話 話が飛び飛びになるが,量子計算が古典的な計算より優れていることを主張する,量子超越性(quantum supremacy)というものがある.例えば,素因数分解を行うShorのアルゴリズムはよく知られていると思う.量子計算において他に注目されているものが,Aaronson and Arkhipov(2013)で提案されたボソンサンプリングである.これは,ガウス行列(ランダムな行列)のパーマネントの期待値を計算するという問題なのだが,先に見てきた通り,古典的な計算では$\#P$完全で,多項式時間で扱えない.それを,ボソン粒子の相関関数として見て計算するのだろうが,最近,アメリカや中国で量子計算により実行されたみたいな論文(2019, 2020)が出たらしく,驚いていたりする.量子計算には全く明るくないので,詳しい人は教えて欲しい. 3. エルミート行列 対角化 固有値. パーマネントと不等式評価の話 パーマネントの計算困難性と関連させて,不等式評価を見てみることにする.これらから,行列式とパーマネントの違いが少しずつ見えてくるかもしれない. 分かりやすいように半正定値対称行列を考えるが,一般の行列でも少し違うが似た不等式を得る.まずは,行列式についてHadmardの不等式(1893)というものが知られている.これは,行列$A$が半正定値対称行列なら $$\det(A) \leq a_{1, 1}\cdot a_{2, 2} \cdots a_{n, n}$$ と対角成分の要素の積で上から抑えられるというものである.また,これをもう少し一般化して,Fisher の不等式(1907)が知られている. 半正定値対称行列$A$が $$ A=\left( \begin{array}{cc} A_{1, 1} & A_{1, 2} \\ A_{2, 1} & A_{2, 2} \right)$$ とブロックに分割されたとき, $$\det(A) \leq \det(A_{1, 1}) \cdot \det(A_{2, 2})$$ と上から評価できる. これは,非対角成分を大きな値に変えてしまっても行列式は大きくならないという話でもある.また,先に行列式の粒子の反発性(repulsive)と述べたのは大体これらの不等式のことである.つまり,行列式点過程で2粒子だけみると, $$\mathrm{Pr}[x_1とx_2が同時に存在する] \leq \mathrm{Pr}[x_1が存在する] \cdot \mathrm{Pr}[x_2が存在する] $$ という感じである.
行列の指数関数(eの行列乗)の定義 正方行列 A A に対して, e A e^A を以下の式で定義する。 e A = I + A + A 2 2! + A 3 3! + ⋯ e^{A}=I+A+\dfrac{A^2}{2! }+\dfrac{A^3}{3! }+\cdots ただし, I I は A A と同じサイズの単位行列です。 a a が実数の場合の指数関数 e a e^a はおなじみですが,この記事では 行列の指数関数 e A e^A について紹介します。 目次 行列の指数関数について 行列の指数関数の例 指数法則は成り立たない 相似変換に関する性質 e A e^A が正則であること 行列の指数関数について 行列の指数関数の定義は, e A = I + A + A 2 2! + A 3 3! + ⋯ e^{A}=I+A+\dfrac{A^2}{2! }+\dfrac{A^3}{3! エルミート行列 対角化 例題. }+\cdots です。右辺の無限和は任意の正方行列 A A に対して収束することが知られています。そのため,任意の A A に対して e A e^A を考えることができます。 指数関数のマクローリン展開 e x = 1 + x + x 2 2! + x 3 3! + ⋯ e^x=1+x+\dfrac{x^2}{2! }+\dfrac{x^3}{3! }+\cdots と同じ形です。よって, A A のサイズが 1 × 1 1\times 1 のときは通常の指数関数と一致します。 行列の指数関数の例 例 A = ( 3 0 0 4) A=\begin{pmatrix}3&0\\0&4\end{pmatrix} に対して, e A e^A を計算せよ。 A k = ( 3 k 0 0 4 k) A^k=\begin{pmatrix}3^k&0\\0&4^k\end{pmatrix} であることが帰納法よりわかります。 よって, e A = I + A + A 2 2! + ⋯ = ( 1 0 0 1) + ( 3 0 0 4) + 1 2! ( 3 2 0 0 4 2) + ⋯ = ( e 3 0 0 e 4) e^A=I+A+\dfrac{A^2}{2! }+\cdots\\ =\begin{pmatrix}1&0\\0&1\end{pmatrix}+\begin{pmatrix}3&0\\0&4\end{pmatrix}+\dfrac{1}{2!
因みに関係ないが,数え上げの計算量クラスで$\#P$はシャープピーと呼ばれるが,よく見るとこれはシャープの記号ではない. 2つの差をテンソル的に言うと,行列式は交代形式で,パーマネントは対称形式であるということである. 1. 二重確率行列のパーマネントの話 さて,良く知られたパーマネントの性質として,van-der Waerdenの予想と言われるものがある.これはEgorychev(1981)などにより,肯定的に解決済である. 二重確率行列とは,非負行列で,全ての行和も列和も$1$になるような行列のこと.van-der Waerdenの予想とは,二重確率行列$A$のパーマネントが $$\frac{n! }{n^n} \approx e^{-n} \leq \mathrm{perm}(A) \leq 1. $$ を満たすというものである.一番大きい値を取るのが単位行列で,一番小さい値を取るのが,例えば$3 \times 3$行列なら, $$ \left( \begin{array}{ccc} \frac{1}{3} & \frac{1}{3} & \frac{1}{3} \\ \frac{1}{3} & \frac{1}{3} & \frac{1}{3} \end{array} \right)$$ というものである.これの一般化で,$n \times n$行列で全ての成分が$1/n$になっている行列のパーマネントが$n! エルミート行列 対角化可能. /n^n$になることは計算をすれば分かるだろう. Egorychev(1981)の証明は,パーマネントをそのまま計算して評価を求めるものであったが,母関数を考えると証明がエレガントに終わることが知られている.そのとき用いるのがGurvitsの定理というものだ.これはgeometry of polynomialsという分野でよく現れるもので,real stableな多項式に関する定理である. 定理 (Gurvits 2002) $p \in \mathbb{R}[z_1, z_2,..., z_n]$を非負係数のreal stableな多項式とする.そのとき, $$e^{-n} \inf_{z>0} \frac{p(z_1,..., z_n)}{z_1 \cdots z_n} \leq \partial_{z_1} \cdots \partial_{z_n} p |_{z=0} \leq \inf_{z>0} \frac{p(z_1,..., z_n)}{z_1 \cdots z_n}$$ が成立する.
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