我们研究量子存储器的力量，以了解量子系统和动态的学习性质，这在物理和化学方面具有重要意义。许多最先进的学习算法需要访问额外的外部量子存储器。虽然这种量子存储器不需要先验，但在许多情况下，不利用量子存储器的算法需要比那些更多样的数据。我们表明，这种权衡在各种学习问题中是固有的。我们的结果包括以下内容：（1）我们显示以$ M $ -Qubit状态Rho执行暗影断层扫描，以M $观察到，任何没有量子存储器的算法需要$ \ omega（\ min（m，2 ^ n） ）最坏情况下Rho的标准。达到对数因子，这与[HKP20]的上限匹配，完全解决了[AAR18，AR19]中的打开问题。 （2）我们在具有和不具有量子存储器之间的算法之间建立指数分离，用于纯度测试，区分扰扰和去极化的演变，以及在物理动态中揭示对称性。我们的分离通过允许更广泛的无量子存储器的算法来改善和概括[ACQ21]的工作。 （3）我们提供量子存储器和样本复杂性之间的第一个权衡。我们证明，估计所有$ N $ -Qubit Pauli可观察到的绝对值，Qumum Memory的$ K <N $ Qubits的算法需要至少$ \ omega（2 ^ {（nk）/ 3}）$样本，但在那里是使用$ n $ -Qubit量子存储器的算法，该算法只需要$ o（n）$ samples。我们展示的分离足够大，并且可能已经是显而易见的，例如，数十Qubits。这提供了一种具体的路径，朝着使用量子存储器学习算法的实际优势。

量子技术有可能彻底改变我们如何获取和处理实验数据以了解物理世界。一种实验设置，将来自物理系统的数据转换为稳定的量子存储器，以及使用量子计算机的数据的处理可以具有显着的优点，这些实验可以具有测量物理系统的传统实验，并且使用经典计算机处理结果。我们证明，在各种任务中，量子机器可以从指数较少的实验中学习而不是传统实验所需的实验。指数优势在预测物理系统的预测属性中，对噪声状态进行量子主成分分析，以及学习物理动态的近似模型。在一些任务中，实现指数优势所需的量子处理可能是适度的;例如，可以通过仅处理系统的两个副本来同时了解许多非信息可观察。我们表明，可以使用当今相对嘈杂的量子处理器实现大量超导QUBITS和1300个量子门的实验。我们的结果突出了量子技术如何能够实现强大的新策略来了解自然。

我们证明了能够在$ N $ -Qubit州$ \ Rho $同时的最多$ k $ reporicas上进行纠结的速度，有$ \ rho $的属性，这需要至少订购$ 2 ^ n / k^ 2 $测量学习。但是，相同的属性只需要一个测量来学习，如果我们可以在$ k，n $的k，n $的多个副本多项式上进行纠缠测量。因为上面保持每个正整数$ k $，我们获得了一系列的任务等级，需要有效地执行更多的副本。我们介绍了一种强大的证明技术来建立我们的结果，并用它来提供用于测试量子状态的混合的新界限。

Learning about physical systems from quantum-enhanced experiments, relying on a quantum memory and quantum processing, can outperform learning from experiments in which only classical memory and processing are available. Whereas quantum advantages have been established for a variety of state learning tasks, quantum process learning allows for comparable advantages only with a careful problem formulation and is less understood. We establish an exponential quantum advantage for learning an unknown $n$-qubit quantum process $\mathcal{N}$. We show that a quantum memory allows to efficiently solve the following tasks: (a) learning the Pauli transfer matrix of an arbitrary $\mathcal{N}$, (b) predicting expectation values of bounded Pauli-sparse observables measured on the output of an arbitrary $\mathcal{N}$ upon input of a Pauli-sparse state, and (c) predicting expectation values of arbitrary bounded observables measured on the output of an unknown $\mathcal{N}$ with sparse Pauli transfer matrix upon input of an arbitrary state. With quantum memory, these tasks can be solved using linearly-in-$n$ many copies of the Choi state of $\mathcal{N}$, and even time-efficiently in the case of (b). In contrast, any learner without quantum memory requires exponentially-in-$n$ many queries, even when querying $\mathcal{N}$ on subsystems of adaptively chosen states and performing adaptively chosen measurements. In proving this separation, we extend existing shadow tomography upper and lower bounds from states to channels via the Choi-Jamiolkowski isomorphism. Moreover, we combine Pauli transfer matrix learning with polynomial interpolation techniques to develop a procedure for learning arbitrary Hamiltonians, which may have non-local all-to-all interactions, from short-time dynamics. Our results highlight the power of quantum-enhanced experiments for learning highly complex quantum dynamics.

我们重新审视量子状态认证的基本问题：给定混合状态$ \ rho \中的副本\ mathbb {c} ^ {d \ times d} $和混合状态$ \ sigma $的描述，决定是否$ \ sigma = \ rho $或$ \ | \ sigma - \ rho \ | _ {\ mathsf {tr}} \ ge \ epsilon $。当$ \ sigma $最大化时，这是混合性测试，众所周知，$ \ omega（d ^ {\ theta（1）} / \ epsilon ^ 2）$副本是必要的，所以确切的指数取决于测量类型学习者可以使[OW15，BCL20]，并且在许多这些设置中，有一个匹配的上限[OW15，Bow19，BCL20]。可以避免这种$ d ^ {\ theta（1）} $依赖于某些类型的混合状态$ \ sigma $，例如。大约低等级的人？更常见地，是否存在一个简单的功能$ f：\ mathbb {c} ^ {d \ times d} \ to \ mathbb {r} _ {\ ge 0} $，其中一个人可以显示$ \ theta（f（ \ sigma）/ \ epsilon ^ 2）$副本是必要的，并且足以就任何$ \ sigma $的国家认证？这种实例 - 最佳边界在经典分布测试的背景下是已知的，例如， [VV17]。在这里，我们为量子设置提供了这个性质的第一个界限，显示（达到日志因子），即使用非接受不连贯测量的状态认证的复杂性复杂性基本上是通过复制复杂性进行诸如$ \ sigma $之间的保真度的复杂性。和最大混合的状态。令人惊讶的是，我们的界限与经典问题的实例基本上不同，展示了两个设置之间的定性差异。

我们使用对单个的，相同的$ d $维状态的相同副本进行的测量来研究量子断层扫描和阴影断层扫描的问题。我们首先因Haah等人而重新审视已知的下限。 （2017年）在痕量距离上具有准确性$ \ epsilon $的量子断层扫描，当测量选择与先前观察到的结果无关（即它们是非适应性的）时。我们简要地证明了这一结果。当学习者使用具有恒定结果数量的测量值时，这会导致更强的下限。特别是，这严格确定了民间传说的最佳性``Pauli phymography''算法的样本复杂性。我们还得出了$ \ omega（r^2 d/\ epsilon^2）$和$ \ omega（r^2 d/\ epsilon^2）的新颖界限（ R^2 d^2/\ epsilon^2）$用于学习排名$ r $状态，分别使用任意和恒定的结果测量，在非适应性情况下。除了样本复杂性，对于学习量子的实际意义，是一种实际意义的资源状态是算法使用的不同测量值的数量。我们将下限扩展到学习者从固定的$ \ exp（o（d））$测量的情况下进行自适应测量的情况。这特别意味着适应性。没有使用可有效实现的单拷贝测量结果给我们任何优势。在目标是预测给定的可观察到给定序列的期望值的情况下，我们还获得了类似的界限，该任务被称为阴影层析成像。在适应性的情况下单拷贝测量可通过多项式大小的电路实现，我们证明了基于计算给定可观察物的样本平均值的直接策略是最佳的。

我们研究了学习哈密顿$ h $ to precision $ \ varepsilon $的问题，假设我们将获得其gibbs state $ \ rho = \ exp（ - \ beta h）/\ operatoratorname {tr}（\ exp（\ exp）（ - \ beta h））$在已知的反温度$ \ beta $处。 Anshu，Arunachalam，Kuwahara和Soleimanifar（Nature Physics，2021，Arxiv：2004.07266）最近研究了此问题的样品复杂性（需要$ \ rho $的副本数量）。在高温（低$ \ beta $）制度中，他们的算法具有样品复杂性poly poly $（n，1/\ beta，1/\ varepsilon）$，并且可以用多项式但次优的时间复杂性实现。在本文中，我们研究了更一般的哈密顿人的同样问题。我们展示了如何学习哈密顿量的系数到错误$ \ varepsilon $带有样本复杂性$ s = o（\ log n/（\ beta \ varepsilon）^{2}）$和样本大小的时间复杂性，$ o（s n）$。此外，我们证明了匹配的下限，表明我们算法的样品复杂性是最佳的，因此我们的时间复杂性也是最佳的。在附录中，我们证明，几乎可以使用相同的算法来从实时进化的统一$ e^{ - it H} $中学习$ h $，其中具有相似的示例和时间复杂性的小$ t $制度。

现代量子机学习（QML）方法涉及在训练数据集上进行各种优化参数化量子电路，并随后对测试数据集（即，泛化）进行预测。在这项工作中，我们在培训数量为N $培训数据点后，我们在QML中对QML的普遍表现进行了全面的研究。我们表明，Quantum机器学习模型的泛化误差与$ T $培训门的尺寸在$ \ sqrt {t / n} $上缩放。当只有$ k \ ll t $ gates在优化过程中经历了大量变化时，我们证明了泛化误差改善了$ \ sqrt {k / n} $。我们的结果意味着将Unitaries编制到通常使用指数训练数据的量子计算行业的多项式栅极数量，这是一项通常使用指数尺寸训练数据的大量应用程序。我们还表明，使用量子卷积神经网络的相位过渡的量子状态的分类只需要一个非常小的训练数据集。其他潜在应用包括学习量子误差校正代码或量子动态模拟。我们的工作将新的希望注入QML领域，因为较少的培训数据保证了良好的概括。

经典的阴影协议，最近由黄，Kueng和Preskill [Nat。物理。 16，1050（2020）]是一种量子古典方案，用于估计未知量子状​​态的性质。与完整的量子状态断层扫描不同，该协议可以在近期量子硬件上实施，并且需要很少的量子测量来以很高的成功概率做出许多预测。在本文中，我们研究噪声对经典阴影协议的影响。特别是，我们考虑了该方案中涉及的量子电路受到各种已知噪声通道的影响，并根据局部和全局噪声的阴影静音分析得出样本复杂性的分析上限。此外，通过修改无噪声协议的经典后处理步骤，我们定义了一个新的估计器，该估计量在存在噪声的情况下保持公正。作为应用，我们表明我们的结果可用于在去极化噪声和振幅阻尼的情况下证明严格的样品复杂性上限。

我们建立了量子算法设计与电路下限之间的第一一般连接。具体来说，让$ \ mathfrak {c} $是一类多项式大小概念，假设$ \ mathfrak {c} $可以在统一分布下的成员查询，错误$ 1/2 - \ gamma $通过时间$ t $量子算法。我们证明如果$ \ gamma ^ 2 \ cdot t \ ll 2 ^ n / n $，则$ \ mathsf {bqe} \ nsubseteq \ mathfrak {c} $，其中$ \ mathsf {bqe} = \ mathsf {bque} [2 ^ {o（n）}] $是$ \ mathsf {bqp} $的指数时间模拟。在$ \ gamma $和$ t $中，此结果是最佳的，因为它不难学习（经典）时间$ t = 2 ^ n $（没有错误） ，或在Quantum Time $ t = \ mathsf {poly}（n）$以傅立叶采样为单位为1/2美元（2 ^ { - n / 2}）$。换句话说，即使对这些通用学习算法的边际改善也会导致复杂性理论的主要后果。我们的证明在学习理论，伪随机性和计算复杂性的几个作品上构建，并且至关重要地，在非凡的经典学习算法与由Oliveira和Santhanam建立的电路下限之间的联系（CCC 2017）。扩展他们对量子学习算法的方法，结果产生了重大挑战。为此，我们展示了伪随机发电机如何以通用方式意味着学习到较低的连接，构建针对均匀量子计算的第一个条件伪随机发生器，并扩展了Impagliazzo，JaiSwal的本地列表解码算法。 ，Kabanets和Wigderson（Sicomp 2010）通过微妙的分析到量子电路。我们认为，这些贡献是独立的兴趣，可能会发现其他申请。

在当前的嘈杂中间尺度量子（NISQ）时代，量子机学习正在成为基于程序门的量子计算机的主要范式。在量子机学习中，对量子电路的门进行了参数化，并且参数是根据数据和电路输出的测量来通过经典优化来调整的。参数化的量子电路（PQC）可以有效地解决组合优化问题，实施概率生成模型并进行推理（分类和回归）。该专着为具有概率和线性代数背景的工程师的观众提供了量子机学习的独立介绍。它首先描述了描述量子操作和测量所必需的必要背景，概念和工具。然后，它涵盖了参数化的量子电路，变异量子本质层以及无监督和监督的量子机学习公式。

我们提出了一个算法框架，用于近距离矩阵上的量子启发的经典算法，概括了Tang的突破性量子启发算法开始的一系列结果，用于推荐系统[STOC'19]。由量子线性代数算法和gily \'en，su，low和wiebe [stoc'19]的量子奇异值转换（SVT）框架[SVT）的动机[STOC'19]，我们开发了SVT的经典算法合适的量子启发的采样假设。我们的结果提供了令人信服的证据，表明在相应的QRAM数据结构输入模型中，量子SVT不会产生指数量子加速。由于量子SVT框架基本上概括了量子线性代数的所有已知技术，因此我们的结果与先前工作的采样引理相结合，足以概括所有有关取消量子机器学习算法的最新结果。特别是，我们的经典SVT框架恢复并经常改善推荐系统，主成分分析，监督聚类，支持向量机器，低秩回归和半决赛程序解决方案的取消结果。我们还为汉密尔顿低级模拟和判别分析提供了其他取消化结果。我们的改进来自识别量子启发的输入模型的关键功能，该模型是所有先前量子启发的结果的核心：$ \ ell^2 $ -Norm采样可以及时近似于其尺寸近似矩阵产品。我们将所有主要结果减少到这一事实，使我们的简洁，独立和直观。

我们研究了在存在$ \ epsilon $ - 对抗异常值的高维稀疏平均值估计的问题。先前的工作为此任务获得了该任务的样本和计算有效算法，用于辅助性Subgaussian分布。在这项工作中，我们开发了第一个有效的算法，用于强大的稀疏平均值估计，而没有对协方差的先验知识。对于$ \ Mathbb r^d $上的分布，带有“认证有限”的$ t $ tum-矩和足够轻的尾巴，我们的算法达到了$ o（\ epsilon^{1-1/t}）$带有样品复杂性$的错误（\ epsilon^{1-1/t}） m =（k \ log（d））^{o（t）}/\ epsilon^{2-2/t} $。对于高斯分布的特殊情况，我们的算法达到了$ \ tilde o（\ epsilon）$的接近最佳错误，带有样品复杂性$ m = o（k^4 \ mathrm {polylog}（d）（d））/\ epsilon^^ 2 $。我们的算法遵循基于方形的总和，对算法方法的证明。我们通过统计查询和低度多项式测试的下限来补充上限，提供了证据，表明我们算法实现的样本时间 - 错误权衡在质量上是最好的。

我们考虑了状态断层扫描的经典问题：给定未知量子状​​态$ \ rho \ in \ mathbb {c}^{d \ times d} $的副本，输出$ \ wideHat {\ rho} $ rho- \ wideHat {\ rho} \ | _ {\ Mathsf {tr}}} \ le \ varepsilon $。当一个允许在所有副本上纠缠的连贯测量值时，$ \ theta（d^2/\ varepsilon^2）$副本是必要且足够的[Haah等。 '17，O'Donnell-Wright '16]。不幸的是，达到此速率的协议会产生大量的量子内存开销，从而阻止了当前或近期设备上的实现。另一方面，使用不连贯的（单拷贝）测量的最著名协议使用$ o（d^3/\ varepsilon^2）$副本[Kueng-rauhut-terstiege '17]开放问题以了解此速度是否紧张。在这项工作中，我们通过证明任何使用不一致测量的协议（即使适应性地选择它们）需要$ \ omega（d^3/\ varepsilon^2）$副本，与[kueng的上限匹配[kueng -rauhut-terstiege '17]。我们通过一种新的证明技术来做到这一点，该技术在测量后直接界定后验分布的“倾斜”，这给出了我们下限的简短简短证明，我们认为这可能是独立的。

在为经典计算提供可证明的安全保证时，差异隐私一直是一个非常成功的概念。最近，该概念被推广到量子计算。尽管经典的计算本质上是无嘈杂的，并且通常通过人为地添加噪声来实现差异隐私，但近期量子计算机本质上是嘈杂的，并且观察到这会导致自然差异隐私作为功能。在这项工作中，我们通过将量子差异作为量子差异来讨论量子差异隐私。这种方法的一个主要优点是，差异隐私仅基于计算的输出状态成为属性，而无需对其进行每个测量。这导致了更简单的证明和对其性质的广义陈述，以及一般和特定噪声模型的几个新界限。特别是，这些包括量子电路和量子机学习概念的共同表示。在这里，我们专注于实现一定级别的差异隐私所需的噪声量与使任何计算无用的量的差异。最后，我们还将当地差异隐私，r \'enyi差异隐私和假设测试解释的经典概念推广到量子设置，从而提供了几种新的属性和见解。

分析大型随机矩阵的浓度是多种领域的常见任务。给定独立的随机变量，许多工具可用于分析随机矩阵，其条目在变量中是线性的，例如基质 - 伯恩斯坦不平等。但是，在许多应用中，我们需要分析其条目是变量中多项式的随机矩阵。这些自然出现在光谱算法的分析中，例如霍普金斯等人。 [Stoc 2016]，Moitra-Wein [Stoc 2019]；并根据正方形层次结构的总和（例如Barak等。 [FOCS 2016]，Jones等。 [焦点2021]。在这项工作中，我们基于Paulin-Mackey-Tropp（概率Annals of Poylibity of Poyliby of 2016]，我们提出了一个通用框架来获得此类界限。 Efron-Stein不等式通过另一个简单（但仍然是随机）矩阵的范围来界定随机矩阵的规范，我们将其视为通过“区分”起始矩阵而引起的。通过递归区分，我们的框架减少了分析更简单的矩阵的主要任务。对于Rademacher变量，这些简单的矩阵实际上是确定性的，因此，分析它们要容易得多。对于一般的非拉多巴纳变量，任务减少到标量浓度，这要容易得多。此外，在多项式矩阵的设置中，我们的结果推广了Paulin-Mackey-Tropp的工作。使用我们的基本框架，我们在文献中恢复了简单的“张量网络”和“密集图矩阵”的已知界限。使用我们的一般框架，我们得出了“稀疏图矩阵”的边界，琼斯等人最近才获得。 [焦点2021]使用痕量功率方法的非平地应用，并且是其工作中的核心组成部分。我们希望我们的框架对涉及非线性随机矩阵浓度现象的其他应用有帮助。

我们提出了改进的算法，并为身份测试$ n $维分布的问题提供了统计和计算下限。在身份测试问题中，我们将作为输入作为显式分发$ \ mu $，$ \ varepsilon> 0 $，并访问对隐藏分布$ \ pi $的采样甲骨文。目标是区分两个分布$ \ mu $和$ \ pi $是相同的还是至少$ \ varepsilon $ -far分开。当仅从隐藏分布$ \ pi $中访问完整样本时，众所周知，可能需要许多样本，因此以前的作品已经研究了身份测试，并额外访问了各种有条件采样牙齿。我们在这里考虑一个明显弱的条件采样甲骨文，称为坐标Oracle，并在此新模型中提供了身份测试问题的相当完整的计算和统计表征。我们证明，如果一个称为熵的分析属性为可见分布$ \ mu $保留，那么对于任何使用$ \ tilde {o}（n/\ tilde {o}），有一个有效的身份测试算法Varepsilon）$查询坐标Oracle。熵的近似张力是一种经典的工具，用于证明马尔可夫链的最佳混合时间边界用于高维分布，并且最近通过光谱独立性为许多分布族建立了最佳的混合时间。我们将算法结果与匹配的$ \ omega（n/\ varepsilon）$统计下键进行匹配的算法结果补充，以供坐标Oracle下的查询数量。我们还证明了一个计算相变：对于$ \ {+1，-1，-1 \}^n $以上的稀疏抗抗铁磁性模型，在熵失败的近似张力失败的状态下，除非RP = np，否则没有有效的身份测试算法。

Efficient characterization of highly entangled multi-particle systems is an outstanding challenge in quantum science. Recent developments have shown that a modest number of randomized measurements suffices to learn many properties of a quantum many-body system. However, implementing such measurements requires complete control over individual particles, which is unavailable in many experimental platforms. In this work, we present rigorous and efficient algorithms for learning quantum many-body states in systems with any degree of control over individual particles, including when every particle is subject to the same global field and no additional ancilla particles are available. We numerically demonstrate the effectiveness of our algorithms for estimating energy densities in a U(1) lattice gauge theory and classifying topological order using very limited measurement capabilities.

我们研究了测试有序域上的离散概率分布是否是指定数量的垃圾箱的直方图。$ k $的简洁近似值的最常见工具之一是$ k $ [n] $，是概率分布，在一组$ k $间隔上是分段常数的。直方图测试问题如下：从$ [n] $上的未知分布中给定样品$ \ mathbf {p} $，我们想区分$ \ mathbf {p} $的情况从任何$ k $ - 组织图中，总变化距离的$ \ varepsilon $ -far。我们的主要结果是针对此测试问题的样本接近最佳和计算有效的算法，以及几乎匹配的（在对数因素内）样品复杂性下限。具体而言，我们表明直方图测试问题具有样品复杂性$ \ widetilde \ theta（\ sqrt {nk} / \ varepsilon + k / \ varepsilon^2 + \ sqrt {n} / \ varepsilon^2）$。

我们考虑了在高维度中平均分离的高斯聚类混合物的问题。我们是从$ k $身份协方差高斯的混合物提供的样本，使任何两对手段之间的最小成对距离至少为$ \ delta $，对于某些参数$ \ delta> 0 $，目标是恢复这些样本的地面真相聚类。它是分离$ \ delta = \ theta（\ sqrt {\ log k}）$既有必要且足以理解恢复良好的聚类。但是，实现这种担保的估计值效率低下。我们提供了在多项式时间内运行的第一算法，几乎符合此保证。更确切地说，我们给出了一种算法，它需要多项式许多样本和时间，并且可以成功恢复良好的聚类，只要分离为$ \ delta = \ oomega（\ log ^ {1/2 + c} k）$ ，任何$ c> 0 $。以前，当分离以k $的分离和可以容忍$ \ textsf {poly}（\ log k）$分离所需的quasi arynomial时间时，才知道该问题的多项式时间算法。我们还将我们的结果扩展到分布的分布式的混合物，该分布在额外的温和假设下满足Poincar \ {e}不等式的分布。我们认为我们相信的主要技术工具是一种新颖的方式，可以隐含地代表和估计分配的​​高度时刻，这使我们能够明确地提取关于高度时刻的重要信息而没有明确地缩小全瞬间张量。