我们表明，具有“低稳定器复杂性”的量子状态可以有效地与HAAR随机区分开。具体而言，给定$ n $ qubit的纯状态$ | \ psi \ rangle $，我们给出了一种有效的算法，以区分$ | \ psi \ rangle $是（i）haar-random或（ii）具有稳定器保真度的状态至少$ \ frac {1} {k} $（即，具有一些稳定器状态的保真度至少$ \ frac {1} {k} $），保证就是其中之一。使用Black-box访问$ | \ psi \ rangle $，我们的算法使用$ o \！\ left（k^{12} \ log（1/\ delta）\ right）$ copies $ | \ psi \ rangle $和$ o \！\ left（n k^{12} \ log（1/\ delta）\ right）$ $时间以概率至少$ 1- \ delta $成功，并且随着访问状态准备统一，以$ | | \ psi \ rangle $（及其倒数），$ o \！\ left（k^{3} \ log（1/\ delta）\ right）$ queries和$ o \！\！ log（1/\ delta）\ right）$时间就足够了。作为推论，我们证明$ \ omega（\ log（n））$ $ t $ - 盖特对于任何Clifford+$ t $ circile都是必不可少的，以准备计算上的pseudorandom Quantum Quantum state，这是一种首要的下限。

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。

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。

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。

已广泛研究了确定量子状态（例如保真度度量）相似性的有效度量。在本文中，我们解决了可以定义可以\ textit {有效估计}的量子操作的相似性度量的问题。给定了两个量子操作，$ u_1 $和$ u_2 $，以其电路表格表示，我们首先开发一个量子采样电路，以估算其差异的归一化schatten 2-norm（$ \ | | | | | | U_1-U_2 \ | _ {s_2} $）使用精确$ \ epsilon $，仅使用一个干净的量子和一个经典的随机变量。我们证明了一个poly $（\ frac {1} {\ epsilon}）$ umper bound在样品复杂性上，该界限与量子系统的大小无关。然后，我们证明这种相似性度量与使用量子状态的常规保真度度量（$ f $）直接相关。 u_1-u_2 \ | _ {s_2} $足够小（例如$ \ leq \ frac {\ epsilon} {1+ \ sqrt {2（1/\ delta -1）} $）处理相同的随机和均匀选择的纯状态，$ | \ psi \ rangle $，如有需要（$ f（{{u} _1 | \ psi \ rangle，{u} _2 | \ psi \ wangle）\ geq 1 - \ epsilon $），概率超过$ 1- \ delta $。我们为量子电路学习任务提供了这种有效的相似性度量估计框架的示例应用，例如找到给定统一操作的平方根。

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。

我们提出了第一近最优量子算法，用于估计欧几里德的规范，与有限均值和协方差的矢量值随机变量的平均值。我们的结果旨在将多元子高斯估计的理论延伸到量子设置。与经典上不同，如果任何单变量估计器都可以在维度中最多的对数开销转换为多变量估计器，则不会在量子设置中证明类似的结果。实际上，当样品复杂性小于尺寸时，Heinrich排除了平均估计问题的量子优势。我们的主要结果是表明，在这种低精度的方案之外，有一个量子估计值优于任何经典估算器。我们的方法比单变量设置大致涉及，大多数量子估计人员依赖于相位估计。我们利用各种额外的算法技术，如幅度放大，伯恩斯坦 - Vazirani算法和量子奇异值转换。我们的分析还使用多元截断统计的浓度不等式。我们以前在文献中出现的两个不同输入模型中的Quantum估算器。第一个提供对随机变量的二进制表示的相干访问，并且它包含经典设置。在第二模型中，随机变量直接编码到量子寄存器的相位中。该模型在许多量子算法中自然出现，但常常具有古典样品通常是无与伦比的。我们将我们的技术调整为这两个设置，我们表明第二种模型严格较弱，以解决平均估计问题。最后，我们描述了我们的算法的几个应用，特别是在测量通勤可观察到的期望值和机器学习领域时。

我们提出了两个关于量子计算机精确学习的新结果。首先，我们展示了如何从$ o（k ^ {1.5}（\ log k）^ 2）$统一量子示例的$ o（k ^ {1.5}（\ log k）^ 2）的$ k $ -fourier-sparse $ n $ -fourier-sparse $ n $ k $ -fourier-sparse $ n $ couber boolean函数。这改善了$ \ widetilde {\ theta}（kn）$统一的randuly \ emph {classical}示例（haviv和regev，ccc'15）。此外，我们提供了提高我们的$ \ widetilde {o}（k ^ {1.5}）美元的可能方向，通过证明k $-$ -fourier-稀疏的布尔函数的改进，通过提高Chang的Lemma。其次，如果可以使用$ q $量子会员查询可以完全学习概念类$ \ mathcal {c} $，则也可以使用$ o o \ left（\ frac {q ^ 2} {\ logq} \ log | \ mathcal {c} | \右）$ \ emph {classical}会员查询。这通过$ \ log q $ -factor来改善最佳的仿真结果（Servedio和Gortler，Sicomp'04）。

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。

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。

量子计算机对机器学习应用程序保持前所未有的潜力。在这里，我们证明了物理量子电路通过经验风险最小化在量子计算机上可读的PAC（可能近似正确）：以最多为最多$ N ^ C $栅极的参数量子电路，每个门作用于恒定数量的Qubits，样本复杂度被$ \ tilde {o}界限为（n ^ {c + 1}）$。特别是，我们明确地构建了一种以固定模式排列的$ O（n ^ {c + 1}）$ o（n ^ {c + 1}）的变形量子电路系列，其可以代表最多$ n ^ c $基本的所有物理量子电路盖茨。我们的结果为大量机器学习提供了一个有价值的理论和实践。

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。

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。

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。

即使在数十年的量子计算开发之后，通常在经典同行中具有指数加速的通常有用量子算法的示例是稀缺的。线性代数定位量子机学习（QML）的量子算法中的最新进展作为这种有用的指数改进的潜在来源。然而，在一个意想不到的发展中，最近一系列的“追逐化”结果同样迅速消除了几个QML算法的指数加速度的承诺。这提出了关键问题是否是其他线性代数QML算法的指数加速度持续存在。在本文中，我们通过该镜头研究了Lloyd，Garnerone和Zanardi的拓扑数据分析算法后面的量子算法方法。我们提供了证据表明，该算法解决的问题通过表明其自然概括与模拟一个清洁量子位模型很难地难以进行棘手的 - 这被广泛认为需要在经典计算机上需要超时时间 - 并且非常可能免疫追逐。基于此结果，我们为等级估计和复杂网络分析等问题提供了许多新的量子算法，以及其经典侵害性的复杂性 - 理论上。此外，我们分析了近期实现的所提出的量子算法的适用性。我们的结果为全面吹嘘和限制的量子计算机提供了许多有用的应用程序，具有古典方法的保证指数加速，恢复了线性代数QML的一些潜力，以成为量子计算的杀手应用之一。

近年来，现代机器学习系统已成功应用于各种任务，但使此类系统对输入实例的对抗完全选择的修改似乎是一个更难的问题。可能会说没有完全满足的解决方案已经找到最新的解决方案，如果标准配方甚至允许原则的解决方案，则尚不清楚。因此，不是遵循有界扰动的经典路径，我们考虑类似于Bshouty和杰克逊引入的量子Pac学习模型[1995]。我们的第一款主要贡献表明，在该模型中，我们可以减少两个经典学习理论问题的结合的对抗性鲁棒性，即（问题1）找到生成模型的问题和（问题2）对尊重的鲁棒分类器的设计问题分配转移。我们的第二个关键贡献是考虑的框架不依赖于特定的（并且因此也有些任意的）威胁模型，如$ \ ell_p $界扰动。相反，我们的减少保证，为了解决我们模型中的对抗鲁棒性问题，它足以考虑一个距离概念，即Hellinger距离。从技术角度来看，我们的协议严重是基于近期量子计算代表团的进步，例如， Mahadev [2018]。虽然被认为的模型是量子，因此没有立即适用于“真实世界”的情况，但可能希望在未来可以找到一种方法可以找到将“真实世界”问题融入量子框架或者可以找到经典算法，其能够模仿其强大的量子对应物。

套索和山脊是机器学习和统计数据中重要的最小化问题。它们是线性回归的版本，具有平方损耗，其中$ \ theta \ in \ mathbb {r}^d $ of系数的$ \ ell_1 $ -norm（对于lasso）或$ \ ell_2 $ norm（in $ \ ell_2 $ norm）（对于山脊）。我们研究了针对这些最小化问题的$ \ varepsilon $ - 二聚体的量子算法的复杂性。我们表明，对于拉索，我们可以通过加快弗兰克 - 沃尔夫算法的每题来获得$ d $的二次量子加速，而对于ridge来说，最好的量子算法是$ d $的线性，就像$ d $一样最好的古典算法。作为套索的量子下限的副产品，我们还证明了套索的第一个经典下限，该结构紧密地属于polyg因子。

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。