故障自然是随机的，而大多数人造系统，尤其是计算机都可以确定地工作。这需要将概率理论与数学逻辑，自动机和切换电路理论联系起来。本文通过量子信息理论提供了这种连接，这是量子物理学遵守概率定律的直观方法。在本文中，我们提供了一种新的方法，用于计算使用基于门的量子计算机开关电路的诊断。该方法是基于将代表叠加错误的量子位放置的想法，并同时诊断出所有的量子，通常是指数级的。我们从经验上将用于诊断的量子算法与基于SAT和模型计数的方法进行比较。对于组合电路的基准，我们在估计故障的真实概率方面建立了不到百分之一的误差。

在这个接近中间尺度的量子时代，云上有两种类型的近期量子设备：基于离散变量模型和线性光学器件（Photonics）QPU的超导量子处理单元（QPU），基于连续变量（CV）） 模型。离散变量模型中的量子计算以有限的尺寸量子状态空间和无限尺寸空间中的CV模型执行。在实现量子算法时，CV模型提供了更多的量子门，这些量子门在离散变量模型中不可用。基于简历的光子量子计算机使用不同的测量方法和截止尺寸的概念来控制量子电路的输出向量长度的额外灵活性。

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。

当我们继续找到当前可用的嘈杂设备比其经典配音具有优势的应用程序时，高效利用量子资源是非常可取的。提出了量子自动编码器的概念，是压缩量子信息以减少资源需求的一种方式。在这里，我们提出了一种使用进化算法来设计量子自动编码器的策略，以将量子信息转换为较低维表示。我们成功地证明了该算法在压缩量子状态的不同家族中的初始应用。特别是，我们指出，使用算法中的限制门设置可以有效地模拟生成的电路。这种方法可以使用更少的计算资源来使用经典逻辑来找到量子数据的低表示。

For a large number of tasks, quantum computing demonstrates the potential for exponential acceleration over classical computing. In the NISQ era, variable-component subcircuits enable applications of quantum computing. To reduce the inherent noise and qubit size limitations of quantum computers, existing research has improved the accuracy and efficiency of Variational Quantum Algorithm (VQA). In this paper, we explore the various ansatz improvement methods for VQAs at the gate level and pulse level, and classify, evaluate and summarize them.

量子计算有可能彻底改变和改变我们的生活和理解世界的方式。该审查旨在提供对量子计算的可访问介绍，重点是统计和数据分析中的应用。我们从介绍了了解量子计算所需的基本概念以及量子和经典计算之间的差异。我们描述了用作量子算法的构建块的核心量子子程序。然后，我们审查了一系列预期的量子算法，以便在统计和机器学习中提供计算优势。我们突出了将量子计算应用于统计问题的挑战和机遇，并讨论潜在的未来研究方向。

机器学习被认为是量子计算最有前途的应用之一。因此，寻找机器学习模型的量子类似物的量子优势是一个关键的研究目标。在这里，我们表明，具有量子内核（QSVM）的变异量子分类器（VQC）和支持向量机可以基于K-相关问题解决分类问题，该问题已知是PromiseBQP complete。由于PromistBQP复杂度类包括所有有界的量子量子多项式时间（BQP）决策问题，因此我们的结果暗示存在特征图和量子内核，该量子内核使VQC和QSVM有效求解器用于任何BQP问题。这意味着可以设计VQC或QSVM的量子内核的特征图，以对任何在多项式时间内无法经典求解但与量子计算机相反的分类问题具有量子优势。

从样本中学习概率分布的任务在整个自然科学中无处不在。局部量子电路的输出分布构成了一类特别有趣的分布类别，对量子优势提案和各种量子机学习算法都具有关键的重要性。在这项工作中，我们提供了局部量子电路输出分布的可学习性的广泛表征。我们的第一个结果可以深入了解这些分布的有效学习性与有效的可模拟性之间的关系。具体而言，我们证明与Clifford电路相关的密度建模问题可以有效地解决，而对于深度$ d = n^{\ omega（1）} $电路，将单个$ t $ gate注入到电路中，这使这是如此问题很难。该结果表明，有效的模拟性并不意味着有效的可学习性。我们的第二组结果提供了对量子生成建模算法的潜在和局限性的见解。我们首先证明与深度$ d = n^{\ omega（1）} $局部量子电路相关的生成建模问题对于任何学习算法，经典或量子都很难。结果，一个人不能使用量子算法来为此任务获得实际优势。然后，我们证明，对于各种最实际相关的学习算法（包括混合量词古典算法），即使是与深度$ d = \ omega（\ log（n））$ Clifford Circuits相关的生成建模问题也是如此难的。该结果对近期混合量子古典生成建模算法的适用性造成了限制。

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。

量子计算是使用量子力学执行计算的过程。该领域研究某些亚杀菌粒子的量子行为，以便随后在执行计算，以及大规模信息处理中使用。这些能力可以在计算时间和经典计算机上的成本方面提供量子计算机的优势。如今，由于计算复杂性或计算所需的时间，具有科学挑战，这是由于古典计算而无法执行，并且量子计算是可能的答案之一。然而，电流量子器件尚未实现必要的QUBITS，并且没有足够的容错才能实现这些目标。尽管如此，还有其他领域，如机器学习或化学，其中量子计算对电流量子器件有用。本手稿旨在展示2017年和2021年之间发布的论文的系统文献综述，以确定，分析和分类量子机器学习和其应用中使用的不同算法。因此，该研究确定了使用量子机器学习技术和算法的52篇文章。发现算法的主要类型是经典机器学习算法的量子实现，例如支持向量机或K最近邻模型，以及古典的深度学习算法，如量子神经网络。许多文章试图解决目前通过古典机器学习回答的问题，但使用量子设备和算法。即使结果很有希望，量子机器学习也远未实现其全部潜力。由于现有量子计算机缺乏足够的质量，速度和比例以允许量子计算来实现其全部潜力，因此需要提高量子硬件。

我们的计算机今天从复杂的服务器到小型智能手机，基于相同的计算模型操作，需要运行一系列离散指令，指定为算法。尽管过去半个世纪的尝试许多尝试，但这种顺序计算范例尚未导致NP-Thallue问题的快速算法。遗憾的是，即使在将量子力学引入计算的世界之后，我们仍然遵循类似的顺序范例，尚未帮助我们获得这样的算法。这里提出了一种完全不同的计算模型，以替换具有物理过程固有的并行性的算法的顺序范例。使用所提出的模型，而不是写入算法来解决NP完整问题，我们构建了其平衡状态对应于所需解决方案的物理系统，并让它们发展以寻找解决方案。识别模型的主要要求，并提出了普通电路的潜在实现。

预计人工神经网络的领域将强烈受益于量子计算机的最新发展。特别是Quantum Machine Learning，一类利用用于创建可训练神经网络的Qubits的量子算法，将提供更多的力量来解决模式识别，聚类和机器学习等问题。前馈神经网络的构建块由连接到输出神经元的一层神经元组成，该输出神经元根据任意激活函数被激活。相应的学习算法以Rosenblatt Perceptron的名义。具有特定激活功能的量子感知是已知的，但仍然缺乏在量子计算机上实现任意激活功能的一般方法。在这里，我们用量子算法填充这个间隙，该算法能够将任何分析激活功能近似于其功率系列的任何给定顺序。与以前的提案不同，提供不可逆转的测量和简化的激活功能，我们展示了如何将任何分析功能近似于任何所需的准确性，而无需测量编码信息的状态。由于这种结构的一般性，任何前锋神经网络都可以根据Hornik定理获取通用近似性质。我们的结果重新纳入栅极型量子计算机体系结构中的人工神经网络科学。

我们展示了一个新的开源软件，用于快速评估量子电路和绝热进化，这充分利用了硬件加速器。越来越多的Quantum Computing兴趣和Quantum硬件设备的最新发展的兴趣激励了新的高级计算工具的开发，其专注于性能和使用简单性。在这项工作中，我们介绍了一种新的Quantum仿真框架，使开发人员能够将硬件或平台实现的所有复杂方面委托给库，以便他们专注于手头的问题和量子算法。该软件采用Scratch设计，使用仿真性能，代码简单和用户友好的界面作为目标目标。它利用了硬件加速，例如多线CPU，单个GPU和多GPU设备。

量子计算是量子物理学的迷人研究领域。最近的进展激励我们在深度研究通用量子计算模型（UQCM），它位于量子计算的基础上，并与基本物理有紧密的连接。虽然已经发展到几十年前，但仍然缺乏含有形式化和理解UQCM的物理上简洁的原则或图片。考虑到静止新兴模型的多样性，但重要的是要了解经典和量子计算之间的差异很重要。在这项工作中，我们通过将其中几个类别分类为两类来进行统一uqcm的主要尝试，从而制作模型表。通过这样的表格，一些已知的模型或方案显示为杂交或模型的组合，更重要的是，它还导致尚未探讨的新方案。我们对UQCM的研究也导致了一些洞察量子算法。这项工作揭示了计算模型系统研究的重要性和可行性。

Climate change is becoming one of the greatest challenges to the sustainable development of modern society. Renewable energies with low density greatly complicate the online optimization and control processes, where modern advanced computational technologies, specifically quantum computing, have significant potential to help. In this paper, we discuss applications of quantum computing algorithms toward state-of-the-art smart grid problems. We suggest potential, exponential quantum speedup by the use of the Harrow-Hassidim-Lloyd (HHL) algorithms for sparse matrix inversions in power-flow problems. However, practical implementations of the algorithm are limited by the noise of quantum circuits, the hardness of realizations of quantum random access memories (QRAM), and the depth of the required quantum circuits. We benchmark the hardware and software requirements from the state-of-the-art power-flow algorithms, including QRAM requirements from hybrid phonon-transmon systems, and explicit gate counting used in HHL for explicit realizations. We also develop near-term algorithms of power flow by variational quantum circuits and implement real experiments for 6 qubits with a truncated version of power flows.

Quantum computing is a promising paradigm based on quantum theory for performing fast computations. Quantum algorithms are expected to surpass their classical counterparts in terms of computational complexity for certain tasks, including machine learning. In this paper, we design, implement, and evaluate three hybrid quantum k-Means algorithms, exploiting different degree of parallelism. Indeed, each algorithm incrementally leverages quantum parallelism to reduce the complexity of the cluster assignment step up to a constant cost. In particular, we exploit quantum phenomena to speed up the computation of distances. The core idea is that the computation of distances between records and centroids can be executed simultaneously, thus saving time, especially for big datasets. We show that our hybrid quantum k-Means algorithms can be more efficient than the classical version, still obtaining comparable clustering results.

量子计算为某些问题提供了指数加速的潜力。但是，许多具有可证明加速的现有算法都需要当前不可用的耐故障量子计算机。我们提出了NISQ-TDA，这是第一个完全实现的量子机学习算法，其在任意经典（非手动）数据上具有可证明的指数加速，并且仅需要线性电路深度。我们报告了我们的NISQ-TDA算法的成功执行，该算法应用于在量子计算设备以及嘈杂的量子模拟器上运行的小数据集。我们从经验上证实，该算法对噪声是可靠的，并提供了目标深度和噪声水平，以实现现实世界中问题的近期，无耐受耐受性的量子优势。我们独特的数据加载投影方法是噪声鲁棒性的主要来源，引入了一种新的自我校正数据加载方法。

量子贝叶斯AI（Q-B）是一个新兴领域，可杠杆计算中可用的计算收益。承诺是许多贝叶斯算法中的指数加速。我们的目标是将这些方法直接应用于统计和机器学习问题。我们提供了经典和量子概率之间的二元性，以计算后验量的利益。我们的框架从冯·诺伊曼（Von Neumann）的量子测量原理中的角度统一了MCMC，深度学习和量子学习计算。量子嵌入和神经门也是数据编码和特征选择的重要组成部分。在统计学习中，具有众所周知的内核方法具有自然性。我们说明了两种简单分类算法上量子算法的行为。最后，我们以未来研究的指示得出结论。

Hybrid quantum-classical systems make it possible to utilize existing quantum computers to their fullest extent. Within this framework, parameterized quantum circuits can be regarded as machine learning models with remarkable expressive power. This Review presents the components of these models and discusses their application to a variety of data-driven tasks, such as supervised learning and generative modeling. With an increasing number of experimental demonstrations carried out on actual quantum hardware and with software being actively developed, this rapidly growing field is poised to have a broad spectrum of real-world applications.

Quantum image processing draws a lot of attention due to faster data computation and storage compared to classical data processing systems. Converting classical image data into the quantum domain and state label preparation complexity is still a challenging issue. The existing techniques normally connect the pixel values and the state position directly. Recently, the EFRQI (efficient flexible representation of the quantum image) approach uses an auxiliary qubit that connects the pixel-representing qubits to the state position qubits via Toffoli gates to reduce state connection. Due to the twice use of Toffoli gates for each pixel connection still it requires a significant number of bits to connect each pixel value. In this paper, we propose a new SCMFRQI (state connection modification FRQI) approach for further reducing the required bits by modifying the state connection using a reset gate rather than repeating the use of the same Toffoli gate connection as a reset gate. Moreover, unlike other existing methods, we compress images using block-level for further reduction of required qubits. The experimental results confirm that the proposed method outperforms the existing methods in terms of both image representation and compression points of view.