通讯复杂性简单介绍

英文是communication complexity,不知道该翻译成通信复杂性,还是通讯复杂性呢。这里先用通讯复杂性吧。这是一个理论计算机的子领域,在过去30年衍生了很多东西。它是我的研究的主要内容,这里简略介绍一下。

Communication Protocol 通讯协议

我们说一个通讯问题,是有两台机器Alice和Bob,它们需要计算某个函数 f(x,y)。但是Alice只知道输入x,Bob只知道y。它们之间离得很远,需要通过光缆互相传递信息,把f(x,y)计算出来。它们之间传递信息的过程称为通讯,一个有效的通讯过程称为一个协议。

举一个例子,比如两个数据中心,它们想知道它们的数据是否已经同步(指数据完全一样),如果不一样的话就需要重新同步。它们之间该怎么通讯来确定这一点呢?这个问题就是通讯问题 EQ。在这个问题里,Alice和Bob分别拥有一个字符串xy,它们想计算x==y

对于所有通讯问题,Alice可以通过发送它的所有输入x到Bob,然后Bob拥有全部输入,从而计算f(x,y)。注意在通讯问题里面,我们只考虑通讯消耗,而不考虑本地的计算时间和空间消耗。我们能设计更好的通讯协议吗?

对于一个通讯问题,如果要求对于任何输入,输出结果完全精确,这种符合条件的协议称为确定型通讯协议。但在实际应用中,我们可以容忍一个足够小的出错概率。在某些时候这是有很大好处的。比如上面那个EQ通讯问题,在要求结果完全精确的情况下,Alice发送自己的x已经是一个最优方案了。但在实际应用中,我们有一个更简单的方法,那就是发送hash函数(比如MD5码),然后双方检验MD5码即可。当然某种意义上这个协议不够严格,更严格的应该是Alice随机选择一个合适长度的质数p,然后发送(p, x\mod p)

Communication Complexity 通讯复杂性

复杂性的意思就是说一个问题不能以多快的速度解决。比如EQ的任何确定型通讯协议无法比发送所有输入做得更好,这说明EQ的复杂度为O(n)。类似于计算理论,人们发现证明一个复杂性比设计一个算法和协议更困难。

量子通讯复杂性

量子通讯和上面的经典通讯基本上是一样的,除了Alice和Bob是两台量子计算机,可以操纵量子比特,以及它们之间共享量子通道可以发送量子比特。我们希望能够尽可能少的发送量子比特就能解决问题。

就像在计算理论里,人们非常关系量子系统的引入能否大幅度提高计算的速度,人们也关心量子系统对于通讯的帮助。目前,人们发现对于partial函数(对于某些输入对(x,y)f(x,y)可以没有定义的f称为partial函数),量子系统可以指数级的缩减发送的比特数,但对于完全函数(对\forall (x,y)f(x,y)都有定义),人们猜测量子系统是没有帮助的。

通讯复杂性理论和信息论

通讯复杂性理论和信息论是两个不同的领域。通讯复杂性通常研究如何发送尽可能少的比特得到计算结果,而信息论是研究通讯的过程(?),比如如何纠错,如何利用量子纠缠等。现在的量子信息论发展非常火热,但和量子通讯复杂性是两个完全不同的概念。

GT 一个更复杂的例子

现在Alice和Bob分别拥有两个字符串xy,它们该如何确定谁的字符串更大(按字典序)呢?同样这里很低的错误概率是可以忍受的。

思路:每次Alice和Bob先检查前一半输入是否相等(调用EQ的通讯协议),如果是,抛弃之;否则后一半可以抛弃;重复这个步骤即可。

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7条留言 -> 跳到留言表格

  • At 2008.09.17 20:56, matthew1985 said:

    通讯复杂度在OT,安全多方计算中很重要,是这类协议的一个衡量标准
    能否介绍下量子通讯复杂度,谢谢!

    • At 2008.09.17 22:34, zhiqiang said:

      嗯,我补充了一些东西。

      你说的“通讯复杂度在OT,安全多方计算中很重要”是什么?能介绍一下么,对这些了解很少,我所知道的通讯复杂性的应用都是理论计算机其它理论上,和数学一样,对于实际应用好像没啥帮助。

      • At 2008.09.18 06:01, hum said:

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        • At 2008.09.18 16:42, matthew1985 said:

          我只知道在设计一些不经意传输OT协议,安全多方计算协议,以及一些分布式应用方面需要讨论通讯复杂度,是衡量效率的一个重要因素,大多是在密码学框架下,和理论计算机有关系。

      • At 2008.09.19 06:04, JH said:

        Hello

        • At 2008.09.19 10:32, Charles said:

          为什么对于partial函数,量子系统可以指数级的缩减发送bit?

          • At 2008.09.19 11:28, zhiqiang said:

            我写得不准确,不是可以,而是可能可以指数级缩减发送的bit数量。这是因为人们已经找到一些例子。

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