Machine learning (ML) has found broad applicability in quantum information science in topics as diverse as experimental design, state classification, and even studies on quantum foundations. Here, we experimentally realize an approach for defining custom prior distributions that are automatically tuned using ML for use with Bayesian quantum state estimation methods. Previously, researchers have looked to Bayesian quantum state tomography due to its unique advantages like natural uncertainty quantification, the return of reliable estimates under any measurement condition, and minimal mean-squared error. However, practical challenges related to long computation times and conceptual issues concerning how to incorporate prior knowledge most suitably can overshadow these benefits. Using both simulated and experimental measurement results, we demonstrate that ML-defined prior distributions reduce net convergence times and provide a natural way to incorporate both implicit and explicit information directly into the prior distribution. These results constitute a promising path toward practical implementations of Bayesian quantum state tomography.

Quantum state tomography aims to estimate the state of a quantum mechanical system which is described by a trace one, Hermitian positive semidefinite complex matrix, given a set of measurements of the state. Existing works focus on estimating the density matrix that represents the state, using a compressive sensing approach, with only fewer measurements than that required for a tomographically complete set, with the assumption that the true state has a low rank. One very popular method to estimate the state is the use of the Singular Value Thresholding (SVT) algorithm. In this work, we present a machine learning approach to estimate the quantum state of n-qubit systems by unrolling the iterations of SVT which we call Learned Quantum State Tomography (LQST). As merely unrolling SVT may not ensure that the output of the network meets the constraints required for a quantum state, we design and train a custom neural network whose architecture is inspired from the iterations of SVT with additional layers to meet the required constraints. We show that our proposed LQST with very few layers reconstructs the density matrix with much better fidelity than the SVT algorithm which takes many hundreds of iterations to converge. We also demonstrate the reconstruction of the quantum Bell state from an informationally incomplete set of noisy measurements.

推理是绘制关于未观察变量的结论的任务，给出了相关变量的观察。应用范围从鉴定症状的疾病从价格转移到分类经济制度。遗憾的是，执行精确的推论通常是棘手的。一种替代方案是变分推理，其中优化了候选概率分布以近似于未观察变量的后部分布。为了良好的近似，希望灵活和高度表现力的候选分布。在这项工作中，我们将量子出生的机器用作离散变量的变形分布。我们应用操作员变异推理的框架来实现这一目标。特别是，我们采用了两种特定的实现：一个具有对抗的目标，一个基于肠道斯坦的差异。我们使用贝叶斯网络的示例进行了数控展示了方法，并在IBM量子计算机上实施实验。我们的技术能够实现高效的变分推理，其分布在经典计算机上有效地表示的分布。

近年来，机器学习的巨大进步已经开始对许多科学和技术的许多领域产生重大影响。在本文的文章中，我们探讨了量子技术如何从这项革命中受益。我们在说明性示例中展示了过去几年的科学家如何开始使用机器学习和更广泛的人工智能方法来分析量子测量，估计量子设备的参数，发现新的量子实验设置，协议和反馈策略，以及反馈策略，以及通常改善量子计算，量子通信和量子模拟的各个方面。我们重点介绍了公开挑战和未来的可能性，并在未来十年的一些投机愿景下得出结论。

FIG. 1. Schematic diagram of a Variational Quantum Algorithm (VQA). The inputs to a VQA are: a cost function C(θ), with θ a set of parameters that encodes the solution to the problem, an ansatz whose parameters are trained to minimize the cost, and (possibly) a set of training data {ρ k } used during the optimization. Here, the cost can often be expressed in the form in Eq. ( 3), for some set of functions {f k }. Also, the ansatz is shown as a parameterized quantum circuit (on the left), which is analogous to a neural network (also shown schematically on the right). At each iteration of the loop one uses a quantum computer to efficiently estimate the cost (or its gradients). This information is fed into a classical computer that leverages the power of optimizers to navigate the cost landscape C(θ) and solve the optimization problem in Eq. ( 1). Once a termination condition is met, the VQA outputs an estimate of the solution to the problem. The form of the output depends on the precise task at hand. The red box indicates some of the most common types of outputs.

深神经网络是量子状态表征的强大工具。现有网络通常是通过从需要表征的特定量子状态收集的实验数据来训练的。但是，除了用于培训的量子状态以外，是否可以离线训练神经网络并对量子状态进行预测？在这里，我们介绍了一个网络模型，该模型可以接受来自基准状态和测量结果的经典模拟数据训练，然后可以用来表征与基准集中与状态共享结构相似性的量子状态。在很少的量子物理指导下，该网络构建了自己的数据驱动的量子状态表示，然后使用它来预测尚未执行的量子测量结果的结果统计。网络产生的状态表示也可以用于超出预测结果统计数据的任务，包括量子状态的聚类和物质不同阶段的识别。我们的网络模型提供了一种灵活的方法，可以应用于在线学习方案，在该场景中，必须在实验数据可用后立即生成预测，以及学习者只能访问对量子硬件的加密描述的盲目学习场景。

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。

基于采样的推理技术是现代宇宙学数据分析的核心;然而，这些方法与维度不良，通常需要近似或顽固的可能性。在本文中，我们描述了截短的边际神经比率估计（TMNRE）（即所谓的基于模拟的推断的新方法）自然避免了这些问题，提高了$（i）$效率，$（ii）$可扩展性和$ （iii）推断后的后续后续的可信度。使用宇宙微波背景（CMB）的测量，我们表明TMNRE可以使用比传统马尔可夫链蒙特卡罗（MCMC）方法更少模拟器呼叫的数量级来实现融合的后海后。值得注意的是，所需数量的样本有效地独立于滋扰参数的数量。此外，称为\ MEMPH {本地摊销}的属性允许对基于采样的方法无法访问的严格统计一致性检查的性能。 TMNRE承诺成为宇宙学数据分析的强大工具，特别是在扩展宇宙学的背景下，其中传统的基于采样的推理方法所需的时间级数融合可以大大超过$ \ Lambda $ CDM等简单宇宙学模型的时间。为了执行这些计算，我们使用开源代码\ texttt {swyft}来使用TMNRE的实现。

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-enhanced data science, also known as quantum machine learning (QML), is of growing interest as an application of near-term quantum computers. Variational QML algorithms have the potential to solve practical problems on real hardware, particularly when involving quantum data. However, training these algorithms can be challenging and calls for tailored optimization procedures. Specifically, QML applications can require a large shot-count overhead due to the large datasets involved. In this work, we advocate for simultaneous random sampling over both the dataset as well as the measurement operators that define the loss function. We consider a highly general loss function that encompasses many QML applications, and we show how to construct an unbiased estimator of its gradient. This allows us to propose a shot-frugal gradient descent optimizer called Refoqus (REsource Frugal Optimizer for QUantum Stochastic gradient descent). Our numerics indicate that Refoqus can save several orders of magnitude in shot cost, even relative to optimizers that sample over measurement operators alone.

量子计算机是下一代设备，有望执行超出古典计算机范围的计算。实现这一目标的主要方法是通过量子机学习，尤其是量子生成学习。由于量子力学的固有概率性质，因此可以合理地假设量子生成学习模型（QGLM）可能会超过其经典对应物。因此，QGLM正在从量子物理和计算机科学社区中受到越来越多的关注，在这些QGLM中，可以在近期量子机上有效实施各种QGLM，并提出了潜在的计算优势。在本文中，我们从机器学习的角度回顾了QGLM的当前进度。特别是，我们解释了这些QGLM，涵盖了量子电路出生的机器，量子生成的对抗网络，量子玻尔兹曼机器和量子自动编码器，作为经典生成学习模型的量子扩展。在这种情况下，我们探讨了它们的内在关系及其根本差异。我们进一步总结了QGLM在常规机器学习任务和量子物理学中的潜在应用。最后，我们讨论了QGLM的挑战和进一步研究指示。

在2015年和2019年之间，地平线的成员2020年资助的创新培训网络名为“Amva4newphysics”，研究了高能量物理问题的先进多变量分析方法和统计学习工具的定制和应用，并开发了完全新的。其中许多方法已成功地用于提高Cern大型Hadron撞机的地图集和CMS实验所执行的数据分析的敏感性;其他几个人，仍然在测试阶段，承诺进一步提高基本物理参数测量的精确度以及新现象的搜索范围。在本文中，在研究和开发的那些中，最相关的新工具以及对其性能的评估。

Hamiltonian学习是量子系统识别，校准和量子计算机成功运行的重要程序。通过对量子系统的查询，该过程寻求获得给定Hamiltonian模型的参数和噪声源的描述。汉密尔顿学习的标准技术需要仔细设计查询和$ O（\ epsilon ^ {-2}）$查询，以获得由于标准量子限制而实现学习错误$ \ epsilon $。通过实现学习错误$ \ epsilon $ \ opsilon $的有效和准确地估计Hamiltonian参数，我们介绍了一个活跃的学习者，它给出了一个初始的训练示例和交互式查询量子系统以产生新的培训数据的能力。我们正式指定和实验地评估该汉密尔顿主动学习（HAL）算法的性能，用于学习四个不同超导IBM量子器件上的双态交叉谐振Hamiltonian的六个参数。与同一问题的标准技术和指定的学习错误相比，HAL可以在相当的非自适应学习算法上实现高达99.8 \％$ 99.1 \％$ 49.1％。此外，通过访问汉密尔顿参数的子集的先前信息，并提供了在学习期间用线性（或指数）的较长系统交互时间选择查询的能力，Hal可以超过标准量子限制，实现Heisenberg（或超级Heisenberg）有限公司学习期间的收敛速度。

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。

量子哈密顿学习和量子吉布斯采样的双重任务与物理和化学中的许多重要问题有关。在低温方案中，这些任务的算法通常会遭受施状能力，例如因样本或时间复杂性差而遭受。为了解决此类韧性，我们将量子自然梯度下降的概括引入了参数化的混合状态，并提供了稳健的一阶近似算法，即量子 - 固定镜下降。我们使用信息几何学和量子计量学的工具证明了双重任务的数据样本效率，因此首次将经典Fisher效率的开创性结果推广到变异量子算法。我们的方法扩展了以前样品有效的技术，以允许模型选择的灵活性，包括基于量子汉密尔顿的量子模型，包括基于量子的模型，这些模型可能会规避棘手的时间复杂性。我们的一阶算法是使用经典镜下降二元性的新型量子概括得出的。两种结果都需要特殊的度量选择，即Bogoliubov-Kubo-Mori度量。为了从数值上测试我们提出的算法，我们将它们的性能与现有基准进行了关于横向场ISING模型的量子Gibbs采样任务的现有基准。最后，我们提出了一种初始化策略，利用几何局部性来建模状态的序列（例如量子 - 故事过程）的序列。我们从经验上证明了它在实际和想象的时间演化的经验上，同时定义了更广泛的潜在应用。

物理量的估计是大多数科学研究的核心，量子设备的使用有望增强其性能。在实际情况下，考虑到资源有限，贝叶斯自适应估计代表了有效分配所有可用资源的有效分配的强大方法，这是至关重要的。但是，该框架依赖于系统模型的精确知识，并以精细的校准检索，通常会在计算和实验要求上导致要求。在这里，我们介绍了一种基于模型和深度学习的方法，以有效地实施实现现实的贝叶斯量子计量任务，以实现所有相关挑战，而无需依靠对系统的任何APRIORI知识。为了克服这一需求，直接对实验数据进行了神经网络，以学习多参数贝叶斯更新。然后，通过通过训练并增强研究量子传感器的实验启发式的训练和增强实验启发式的增强学习算法提供的反馈，将系统设置为最佳工作点。值得注意的是，我们在实验上证明了比标准方法更高的估计性能实现，这证明了这两种黑盒算法在集成光子电路上的组合强度。这项工作是迈向完全基于人工智能的量子计量学的重要一步。

高品质，大型数据集在古典机器学习的发展和成功中发挥了至关重要的作用。量子机器学习（QML）是一个新的领域，旨在使用量子计算机进行数据分析，希望获得某种量子的量子优势。虽然大多数提议的QML架构是使用经典数据集的基准测试，但仍存在古典数据集上的QML是否会实现这样的优势。在这项工作中，我们争辩说，应该使用由量子状态组成的量子数据集。为此目的，我们介绍了由量子状态组成的Ntangled DataSet，其数量和多分纠缠的类型。我们首先展示如何培训量子神经网络，以在Ntangled DataSet中生成状态。然后，我们使用Ntangled DataSet来获得用于监督学习分类任务的基准测试QML模型。我们还考虑一个基于替代的纠缠基数据集，其是可扩展的，并且由量子电路准备的状态与不同深度的状态组成。作为我们的结果的副产品，我们介绍了一种用于产生多重石纠缠态的新方法，为量子纠缠理论提供量子神经网络的用例。

我们引入了一种新的经验贝叶斯方法，用于大规模多线性回归。我们的方法结合了两个关键思想：（i）使用灵活的“自适应收缩”先验，该先验近似于正常分布的有限混合物，近似于正常分布的非参数家族； （ii）使用变分近似来有效估计先前的超参数并计算近似后期。将这两个想法结合起来，将快速，灵活的方法与计算速度相当，可与快速惩罚的回归方法（例如Lasso）相当，并在各种场景中具有出色的预测准确性。此外，我们表明，我们方法中的后验平均值可以解释为解决惩罚性回归问题，并通过直接解决优化问题（而不是通过交叉验证来调整）从数据中学到的惩罚函数的精确形式。 。我们的方法是在r https://github.com/stephenslab/mr.ash.ash.alpha的r软件包中实现的

流行病学中的数学模型是一种不可或缺的工具，可以确定传染病的动态和重要特征。除了他们的科学价值之外，这些模型通常用于在正在进行的爆发期间提供政治决策和干预措施。然而，通过将复杂模型连接到真实数据来可靠地推断正在进行的爆发的动态仍然很难，并且需要费力的手动参数拟合或昂贵的优化方法，这些方法必须从划痕中重复给定模型的每个应用。在这项工作中，我们用专门的神经网络的流行病学建模的新组合来解决这个问题。我们的方法需要两个计算阶段：在初始训练阶段中，描述该流行病的数学模型被用作神经网络的教练，该主管是关于全球可能疾病动态的全球知识。在随后的推理阶段，训练有素的神经网络处理实际爆发的观察到的数据，并且揭示了模型的参数，以便实际地再现观察到的动态并可可靠地预测未来的进展。通过其灵活的框架，我们的仿真方法适用于各种流行病学模型。此外，由于我们的方法是完全贝叶斯的，它旨在纳入所有可用的关于合理参数值的先前知识，并返回这些参数上的完整关节后部分布。我们的方法在德国的早期Covid-19爆发阶段的应用表明，我们能够获得可靠的概率估计对重要疾病特征，例如生成时间，未检测到的感染部分，症状发作前的传播可能性，以及报告延迟非常适中的现实观测。

当前可用的量子计算机受到限制，包括硬件噪声和数量有限的Qubits。因此，利用经典优化器来训练参数化的量子电路的变异量子算法已引起对量子技术的近期实际应用的极大关注。在这项工作中，我们采取概率的观点，并将经典优化重新制定为贝叶斯后部的近似。通过将成本函数与量子电路参数相结合的成本函数结合到最小化的成本函数来诱导后验。我们描述了一个基于最大后验点估计值的降低策略。量子H1-2计算机上的实验表明，所得电路的执行速度更快，嘈杂的速度比没有降低策略的训练的电路较小。随后，我们根据随机梯度Langevin动力学描述了后验采样策略。关于三个不同问题的数值模拟表明，该策略能够从后部完整产生样品并避免局部优势。