On the Inner Product Predicate and a Generalization of Matching Vector Families

Motivated by cryptographic applications such as predicate encryption, we consider the problem of representing an arbitrary predicate as the inner product predicate on two vectors. Concretely, fix a Boolean function P and some modulus q. We are interested in encoding x to x_vector and y to y_vector so that P(x,y) = 1 = 0 mod q, where the vectors should be as short as possible. This problem can also be viewed as a generalization of matching vector families, which corresponds to the equality predicate. Matching vector families have been used in the constructions of Ramsey graphs, private information retrieval (PIR) protocols, and more recently, secret sharing. Our main result is a simple lower bound that allows us to show that known encodings for many predicates considered in the cryptographic literature such as greater than and threshold are essentially optimal for prime modulus q. Using this approach, we also prove lower bounds on encodings for composite q, and then show tight upper bounds for such predicates as greater than, index and disjointness

Lower bounds on the size of semidefinite programming relaxations

We introduce a method for proving lower bounds on the efficacy of semidefinite programming (SDP) relaxations for combinatorial problems. In particular, we show that the cut, TSP, and stable set polytopes on $n$-vertex graphs are not the linear image of the feasible region of any SDP (i.e., any spectrahedron) of dimension less than $2^{n^c}$, for some constant $c > 0$. This result yields the first super-polynomial lower bounds on the semidefinite extension complexity of any explicit family of polytopes. Our results follow from a general technique for proving lower bounds on the positive semidefinite rank of a matrix. To this end, we establish a close connection between arbitrary SDPs and those arising from the sum-of-squares SDP hierarchy. For approximating maximum constraint satisfaction problems, we prove that SDPs of polynomial-size are equivalent in power to those arising from degree-$O(1)$ sum-of-squares relaxations. This result implies, for instance, that no family of polynomial-size SDP relaxations can achieve better than a 7/8-approximation for MAX-3-SAT

Tree-Structured Problems and Parallel Computation

Turing-Maschinen sind das klassische Beschreibungsmittel für Wortsprachen und werden daher auch benützt, um Komplexitätsklassen zu definieren. Dies geschieht zum Beispiel durch das Einschränken des Platz- oder Zeitaufwandes der Berechnung zur Lösung eines Problems. Für sehr niedrige Komplexität wie etwa sublineare Laufzeit, werden Schaltkreise verwendet. Schaltkreise können auf natürliche Art Komplexitäten wie etwa logarithmische Laufzeit modellieren. Ebenso können sie als eine Art paralleles Rechenmodell gesehen werden. Eine wichtige parallele Komplexitätsklasse ist NC1. Sie wird beschrieben durch Boolesche Schaltkreise logarithmischer Tiefe und beschränktem Eingangsgrad der Gatter. Eine initiale Beobachtung, die die vorliegende Arbeit motiviert, ist, dass viele schwere Probleme in NC1 eine ähnliche Struktur haben und auf ähnliche Art und Weise gelöst werden. Das Auswertungsproblem für Boolesche Formeln ist eines der repräsentativsten Probleme aus dieser Klasse: Gegeben ist hier eine aussagenlogische Formel samt Belegung für die Variablen; gefragt ist, ob sie zu wahr oder zu falsch auswertet. Dieses Problem wird in NC1 gelöst durch den Algorithmus von Buss. Auf ähnliche Art können arithmetische Formeln in #NC1 ausgewertet oder das Wortproblem für Visibly-Pushdown-Sprachen gelöst werden. Zu besagter Klasse an Problemen gehört auch Courcelles Theorem, welches Berechnungen in Baumautomaten involviert. Zu bemerken ist, dass alle angesprochenen Probleme gemeinsam haben, dass sie aus Instanzen bestehen, die baumartig sind. Formeln sind Bäume, Visibly-Pushdown-Sprachen enthalten als Wörter kodierte Bäume und Courcelles Theorem betrachtet Graphen mit beschränkter Baumweite, d.h. Graphen, die sich als Baum darstellen lassen. Insbesondere Letzteres ist ein Schema, das häufiger auftritt. Zum Beispiel gibt es NP-vollständige Graphprobleme wie das Finden von Hamilton-Kreisen, welches unter beschränkter Baumweite in P fällt. Neuere Analysen konnten diese Schranke weiter zu SAC1 verbessern, was eine parallele Komplexitätsklasse ist. Die angesprochenen Probleme kommen aus unterschiedlichen Bereichen und haben individuelle Lösungen. Hauptthese dieser Arbeit ist, dass sich diese Vielfalt vereinheitlichen lässt. Es wird ein generisches Lösungskonzept vorgestellt, welches darauf beruht, dass sich die Probleme auf ein Termevaluierungsproblem reduzieren lassen. Kernstück ist daher ein Termevaluierungsalgorithmus, der unabhängig von der Algebra, über welche der Term evaluiert werden soll, ist. Resultat ist, dass eine Vielzahl, darunter die oben angesprochenen Probleme, sich auf analoge Art lösen lassen, und dass sich ebenso leicht neue Resultate zeigen lassen. Diese Menge an Resultaten hätte sich ohne den vereinheitlichten Lösungsansatz nicht innerhalb des Rahmens einer Arbeit wie der vorliegenden zeigen lassen. Der entwickelte Lösungsansatz führt stets zu Schaltkreisfamilien polylogarithmischer Tiefe. Es wird jedoch auch die Frage behandelt, wie mächtig Schaltkreisfamilien konstanter Tiefe noch bezüglich Termevaluierung sind. Die Klasse AC0 ist hierfür ein natürlicher Kandidat; sie entspricht der Menge der Sprachen, die durch Logik erster Ordung beschreibbar sind. Um dieses Problem anzugehen, wird zunächst das Termevaluierungsproblem über endlichen Algebren betrachtet. Dieses wiederum lässt sich in das Wortproblem von Visibly-Pushdown-Sprachen einbetten. Daher handelt dieser Teil der Arbeit vornehmlich von der Beschreibbarkeit von Visibly-Pushdown-Sprachen in Logik erster Ordnung. Hierbei treten ungelöste Probleme zu Tage, welche ein Indiz dafür sind, wie schlecht die Komplexität konstanter Tiefe bisher noch verstanden ist, und das, trotz des Resultats von Furst, Saxe und Sipser, bzw. Håstads. Die bis jetzt beschrieben Inhalte sind Teil einer kontinuierlichen Entwicklung. Es gibt jedoch ein Thema in dieser Arbeit, das orthogonal dazu ist: Automaten und im speziellen Cost-Register-Automaten. Zum einen sind, wie oben angedeutet, Automaten Beispiele für Anwendungen des hier entwickelten generischen Lösungsansatzes. Zum anderen können sie selbst zur Beschreibung von Termevaluierungsproblemen dienen; so können Visibly-Pushdown-Automaten Termevaluierung über endlichen Algebren ausführen. Um über endliche Algebren hinauszugehen, benötigen die Automaten mehr Speicher. Visibly-Pushdown-Automaten haben einen Keller, der genau dafür geeignet ist, die Baumstruktur einer Eingabeformel zu verifizieren. Für nichtendliche Algebren eignet sich ein Modell, welches hier vorgestellt werden soll. Es kombiniert Visibly-Pushdown-Automaten mit Cost-Register-Automaten. Ein Cost-Register-Automat ist ein endlicher Automat, welcher mit zusätzlichen Registern ausgestattet ist. Die Register können Werte einer Algebra speichern und werden in jedem Schritt in Abhängigkeit des Eingabezeichens und des Zustandes aktualisiert. Dieser Einwegdatenfluss von Zuständen zu Registern sorgt dafür, dass dieses Modell nicht nur entscheidbar bleibt, sondern, in Abhängigkeit der Algebra, auch niedrige Komplexität hat. Das neue Modell der Cost-Register-Visibly-Pushdown-Automaten kann nun Terme evaluieren. Es werden grundlegende Eigenschaften gezeigt, einschließlich Komplexitätsaussagen

Quantum XOR Games

We introduce quantum XOR games, a model of two-player one-round games that extends the model of XOR games by allowing the referee's questions to the players to be quantum states. We give examples showing that quantum XOR games exhibit a wide range of behaviors that are known not to exist for standard XOR games, such as cases in which the use of entanglement leads to an arbitrarily large advantage over the use of no entanglement. By invoking two deep extensions of Grothendieck's inequality, we present an efficient algorithm that gives a constant-factor approximation to the best performance players can obtain in a given game, both in case they have no shared entanglement and in case they share unlimited entanglement. As a byproduct of the algorithm we prove some additional interesting properties of quantum XOR games, such as the fact that sharing a maximally entangled state of arbitrary dimension gives only a small advantage over having no entanglement at all.Comment: 43 page

Fine-Grained Completeness for Optimization in P

We initiate the study of fine-grained completeness theorems for exact and approximate optimization in the polynomial-time regime. Inspired by the first completeness results for decision problems in P (Gao, Impagliazzo, Kolokolova, Williams, TALG 2019) as well as the classic class MaxSNP and MaxSNP-completeness for NP optimization problems (Papadimitriou, Yannakakis, JCSS 1991), we define polynomial-time analogues MaxSP and MinSP, which contain a number of natural optimization problems in P, including Maximum Inner Product, general forms of nearest neighbor search and optimization variants of the $k$-XOR problem. Specifically, we define MaxSP as the class of problems definable as $\max_{x_1,\dots,x_k} \#\{ (y_1,\dots,y_\ell) : \phi(x_1,\dots,x_k, y_1,\dots,y_\ell) \}$, where $\phi$ is a quantifier-free first-order property over a given relational structure (with MinSP defined analogously). On $m$-sized structures, we can solve each such problem in time $O(m^{k+\ell-1})$. Our results are: - We determine (a sparse variant of) the Maximum/Minimum Inner Product problem as complete under *deterministic* fine-grained reductions: A strongly subquadratic algorithm for Maximum/Minimum Inner Product would beat the baseline running time of $O(m^{k+\ell-1})$ for *all* problems in MaxSP/MinSP by a polynomial factor. - This completeness transfers to approximation: Maximum/Minimum Inner Product is also complete in the sense that a strongly subquadratic $c$-approximation would give a $(c+\varepsilon)$-approximation for all MaxSP/MinSP problems in time $O(m^{k+\ell-1-\delta})$, where $\varepsilon > 0$ can be chosen arbitrarily small. Combining our completeness with~(Chen, Williams, SODA 2019), we obtain the perhaps surprising consequence that refuting the OV Hypothesis is *equivalent* to giving a $O(1)$-approximation for all MinSP problems in faster-than-$O(m^{k+\ell-1})$ time.Comment: Full version of APPROX'21 paper, abstract shortened to fit ArXiv requirement