经典算法通常对于解决非障碍最小值的非凸优化问题通常无效。在本文中，我们通过利用量子隧道的全局效应来探讨非凸优化的量子加速。具体而言，我们引入了一种称为量子隧道步行（QTW）的量子算法，并将其应用于局部最小值大约全局最小值的非凸问题。我们表明，当不同局部最小值较高但薄且最小值平坦时，QTW在经典随机梯度下降（SGD）上实现了量子加速。基于此观察结果，我们构建了一个特定的双孔景观，其中经典算法无法有效地击中一个目标，但是QTW可以在已知井附近提供适当的初始状态时可以很好地击中一个目标。最后，我们通过数值实验证实了我们的发现。
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遵循与[SSJ20]相同的常规，我们继续在本文中介绍具有动量（SGD）的随机梯度下降的理论分析。不同的是，对于具有动量的SGD，我们证明了这是两个超参数在一起，学习率和动量系数，它在非convex优化中的线性收敛速率起着重要作用。我们的分析基于使用超参数依赖性随机微分方程（HP依赖性SDE），该方程是SGD的连续替代，并具有动量。同样，我们通过动量建立了SGD连续时间公式的线性收敛，并通过分析Kramers-Fokker-Planck操作员的光谱来获得最佳线性速率的显式表达。相比之下，我们证明，仅在引入动量时，仅在学习率方面的最佳线性收敛速率和SGD的最终差距如何随着动量系数从零增加到一个而变化。然后，我们提出了一种数学解释，为什么具有动量的SGD比在实践中比标准SGD更快，更强大的学习率收敛。最后，我们显示了在噪声存在下的Nesterov动量与标准动量没有根本差异。
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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。
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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。
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量子信息技术的快速发展显示了在近期量子设备中模拟量子场理论的有希望的机会。在这项工作中，我们制定了1+1尺寸$ \ lambda \ phi \ phi^4 $量子场理论的（时间依赖性）变异量子模拟理论，包括编码，状态准备和时间演化，并具有多个数值模拟结果。这些算法可以理解为Jordan-Lee-Preskill算法的近期变异类似物，这是使用通用量子设备模拟量子场理论的基本算法。此外，我们强调了基于LSZ降低公式和几种计算效率的谐波振荡器基础编码的优势，例如在实施单一耦合群集ANSATZ的肺泡版本时，以准备初始状态。我们还讨论了如何在量子场理论仿真中规避“光谱拥挤”问题，并根据州和子空间保真度评估我们的算法。
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我们启动量子算法的研究，以优化近似凸功能。给定一个凸集$ {\ cal k} \ subseteq \ mathbb {r}^{n} $和一个函数$ f \ colon \ colon \ mathbb {r}^{n}^{n} \ to \ mathbb {r} $一个convex函数$ f \ colon \ mathcal {k} \ to \ mathbb {r} $满足$ \ sup_ {x \ in {\ cal k}}} | f（x）-f（x）-f（x）| \ leq \ epsilon/ epsilon/ n $，我们的量子算法在{\ cal k} $ in {\ cal k} $中找到$ x^{*} \，以便$ f（x^{*}） - \ min_ {x \ in {\ cal k}} f（x） \ leq \ epsilon $使用$ \ tilde {o}（n^{3}）$量子评估查询到$ f $。与最著名的经典算法相比，这实现了多项式量子加速。作为一个应用程序，我们给出了$ \ tilde {o}（n^{5} \ log^{2} t）$ t $的量子算法，用于$ \ tilde {o}（n^{5} \ log^{2} t）$ hearry，与$ t $相比的指数加速经典$ \ omega（\ sqrt {t}）$下限。从技术上讲，我们通过利用模拟退火的量子框架并采用了命中式步行的量子版本来实现$ n $的量子加速。我们在$ t $中的加速零订单随机凸Bistits是由于平均估计的乘法误差中的二次量子加速。
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即使在数十年的量子计算开发之后，通常在经典同行中具有指数加速的通常有用量子算法的示例是稀缺的。线性代数定位量子机学习（QML）的量子算法中的最新进展作为这种有用的指数改进的潜在来源。然而，在一个意想不到的发展中，最近一系列的“追逐化”结果同样迅速消除了几个QML算法的指数加速度的承诺。这提出了关键问题是否是其他线性代数QML算法的指数加速度持续存在。在本文中，我们通过该镜头研究了Lloyd，Garnerone和Zanardi的拓扑数据分析算法后面的量子算法方法。我们提供了证据表明，该算法解决的问题通过表明其自然概括与模拟一个清洁量子位模型很难地难以进行棘手的 - 这被广泛认为需要在经典计算机上需要超时时间 - 并且非常可能免疫追逐。基于此结果，我们为等级估计和复杂网络分析等问题提供了许多新的量子算法，以及其经典侵害性的复杂性 - 理论上。此外，我们分析了近期实现的所提出的量子算法的适用性。我们的结果为全面吹嘘和限制的量子计算机提供了许多有用的应用程序，具有古典方法的保证指数加速，恢复了线性代数QML的一些潜力，以成为量子计算的杀手应用之一。
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本文评价用机器学习问题的数值优化方法。由于机器学习模型是高度参数化的，我们专注于适合高维优化的方法。我们在二次模型上构建直觉，以确定哪种方法适用于非凸优化，并在凸函数上开发用于这种方法的凸起函数。随着随机梯度下降和动量方法的这种理论基础，我们试图解释为什么机器学习领域通常使用的方法非常成功。除了解释成功的启发式之外，最后一章还提供了对更多理论方法的广泛审查，这在实践中并不像惯例。所以在某些情况下，这项工作试图回答这个问题：为什么默认值中包含的默认TensorFlow优化器？
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了解随机梯度下降（SGD）的隐式偏见是深度学习的关键挑战之一，尤其是对于过度透明的模型，损失功能的局部最小化$ l $可以形成多种多样的模型。从直觉上讲，SGD $ \ eta $的学习率很小，SGD跟踪梯度下降（GD），直到它接近这种歧管为止，梯度噪声阻止了进一步的收敛。在这样的政权中，Blanc等人。 （2020）证明，带有标签噪声的SGD局部降低了常规术语，损失的清晰度，$ \ mathrm {tr} [\ nabla^2 l] $。当前的论文通过调整Katzenberger（1991）的想法提供了一个总体框架。它原则上允许使用随机微分方程（SDE）描述参数的限制动力学的SGD围绕此歧管的正规化效应（即“隐式偏见”）的正则化效应，这是由损失共同确定的功能和噪声协方差。这产生了一些新的结果：（1）与Blanc等人的局部分析相比，对$ \ eta^{ - 2} $ steps有效的隐性偏差进行了全局分析。 （2020）仅适用于$ \ eta^{ - 1.6} $ steps和（2）允许任意噪声协方差。作为一个应用程序，我们以任意大的初始化显示，标签噪声SGD始终可以逃脱内核制度，并且仅需要$ o（\ kappa \ ln d）$样本用于学习$ \ kappa $ -sparse $ -sparse yroverparame parametrized linearized Linear Modal in $ \ Mathbb {r}^d $（Woodworth等，2020），而GD在内核制度中初始化的GD需要$ \ omega（d）$样本。该上限是最小值的最佳，并改善了先前的$ \ tilde {o}（\ kappa^2）$上限（Haochen等，2020）。
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计算科学和统计推断中的许多应用都需要计算有关具有未知归一化常数的复杂高维分布以及这些常数的估计。在这里，我们开发了一种基于从简单的基本分布生成样品，沿着速度场生成的流量运输的方法，并沿这些流程线执行平均值。这种非平衡重要性采样（NEIS）策略是直接实施的，可用于具有任意目标分布的计算。在理论方面，我们讨论了如何将速度场定制到目标，并建立所提出的估计器是一个完美的估计器，具有零变化。我们还通过将基本分布映射到目标上，通过传输图绘制了NEIS和方法之间的连接。在计算方面，我们展示了如何使用深度学习来代表神经网络，并将其训练为零方差最佳。这些结果在高维示例上进行了数值说明，我们表明训练速度场可以将NEIS估计量的方差降低至6个数量级，而不是Vanilla估计量。我们还表明，NEIS在这些示例上的表现要比NEAL的退火重要性采样（AIS）更好。
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我们提出了一个算法框架，用于近距离矩阵上的量子启发的经典算法，概括了Tang的突破性量子启发算法开始的一系列结果，用于推荐系统[STOC'19]。由量子线性代数算法和gily \'en，su，low和wiebe [stoc'19]的量子奇异值转换（SVT）框架[SVT）的动机[STOC'19]，我们开发了SVT的经典算法合适的量子启发的采样假设。我们的结果提供了令人信服的证据，表明在相应的QRAM数据结构输入模型中，量子SVT不会产生指数量子加速。由于量子SVT框架基本上概括了量子线性代数的所有已知技术，因此我们的结果与先前工作的采样引理相结合，足以概括所有有关取消量子机器学习算法的最新结果。特别是，我们的经典SVT框架恢复并经常改善推荐系统，主成分分析，监督聚类，支持向量机器，低秩回归和半决赛程序解决方案的取消结果。我们还为汉密尔顿低级模拟和判别分析提供了其他取消化结果。我们的改进来自识别量子启发的输入模型的关键功能，该模型是所有先前量子启发的结果的核心：$ \ 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。
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我们在高斯分布下使用Massart噪声与Massart噪声进行PAC学习半个空间的问题。在Massart模型中，允许对手将每个点$ \ mathbf {x} $的标签与未知概率$ \ eta（\ mathbf {x}）\ leq \ eta $，用于某些参数$ \ eta \ [0,1 / 2] $。目标是找到一个假设$ \ mathrm {opt} + \ epsilon $的错误分类错误，其中$ \ mathrm {opt} $是目标半空间的错误。此前已经在两个假设下研究了这个问题：（i）目标半空间是同质的（即，分离超平面通过原点），并且（ii）参数$ \ eta $严格小于$ 1/2 $。在此工作之前，当除去这些假设中的任何一个时，不知道非增长的界限。我们研究了一般问题并建立以下内容：对于$ \ eta <1/2 $，我们为一般半个空间提供了一个学习算法，采用样本和计算复杂度$ d ^ {o_ {\ eta}（\ log（1 / \ gamma） ）））}} \ mathrm {poly}（1 / \ epsilon）$，其中$ \ gamma = \ max \ {\ epsilon，\ min \ {\ mathbf {pr} [f（\ mathbf {x}）= 1]， \ mathbf {pr} [f（\ mathbf {x}）= -1] \} \} $是目标半空间$ f $的偏差。现有的高效算法只能处理$ \ gamma = 1/2 $的特殊情况。有趣的是，我们建立了$ d ^ {\ oomega（\ log（\ log（\ log（\ log））}}的质量匹配的下限，而是任何统计查询（SQ）算法的复杂性。对于$ \ eta = 1/2 $，我们为一般半空间提供了一个学习算法，具有样本和计算复杂度$ o_ \ epsilon（1）d ^ {o（\ log（1 / epsilon））} $。即使对于均匀半空间的子类，这个结果也是新的;均匀Massart半个空间的现有算法为$ \ eta = 1/2 $提供可持续的保证。我们与D ^ {\ omega（\ log（\ log（\ log（\ log（\ epsilon））} $的近似匹配的sq下限补充了我们的上限，这甚至可以为同类半空间的特殊情况而保持。
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近期在应用于培训深度神经网络和数据分析中的其他优化问题中的非凸优化的优化算法的兴趣增加，我们概述了最近对非凸优化优化算法的全球性能保证的理论结果。我们从古典参数开始，显示一般非凸面问题无法在合理的时间内有效地解决。然后，我们提供了一个问题列表，可以通过利用问题的结构来有效地找到全球最小化器，因为可能的问题。处理非凸性的另一种方法是放宽目标，从找到全局最小，以找到静止点或局部最小值。对于该设置，我们首先为确定性一阶方法的收敛速率提出了已知结果，然后是最佳随机和随机梯度方案的一般理论分析，以及随机第一阶方法的概述。之后，我们讨论了非常一般的非凸面问题，例如最小化$ \ alpha $ -weakly-are-convex功能和满足Polyak-lojasiewicz条件的功能，这仍然允许获得一阶的理论融合保证方法。然后，我们考虑更高阶和零序/衍生物的方法及其收敛速率，以获得非凸优化问题。
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我们提出了一种基于langevin扩散的算法，以在球体的产物歧管上进行非凸优化和采样。在对数Sobolev不平等的情况下，我们根据Kullback-Leibler Divergence建立了有限的迭代迭代收敛到Gibbs分布的保证。我们表明，有了适当的温度选择，可以保证，次级最小值的次数差距很小，概率很高。作为一种应用，我们考虑了使用对角线约束解决半决赛程序（SDP）的burer- monteiro方法，并分析提出的langevin算法以优化非凸目标。特别是，我们为Burer建立了对数Sobolev的不平等现象 - 当没有虚假的局部最小值时，但在鞍点下，蒙蒂罗问题。结合结果，我们为SDP和最大切割问题提供了全局最佳保证。更确切地说，我们证明了Langevin算法在$ \ widetilde {\ omega}（\ epsilon^{ - 5}）$ tererations $ tererations $ \ widetilde {\ omega}（\ omega}中，具有很高的概率。
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众所周知，给定顺滑，界限 - 下面，并且可能的非透露函数，标准梯度的方法可以找到$ \ epsilon $ -stationary积分（渐变范围小于$ \ epsilon $）$ \ mathcal {O}（1 / \ epsilon ^ 2）$迭代。然而，许多重要的非渗透优化问题，例如与培训现代神经网络相关的问题，本质上是不平衡的，使这些结果不适用。在本文中，我们研究了来自Oracle复杂性视点的非透射性优化，其中假设算法仅向各个点处的函数提供访问。我们提供两个主要结果：首先，我们考虑越近$ \ epsilon $ -storationary积分的问题。这也许是找到$ \ epsilon $ -storationary积分的最自然的放松，这在非对象案例中是不可能的。我们证明，对于任何距离和epsilon $小于某些常数，无法有效地实现这种轻松的目标。我们的第二次结果涉及通过减少到平滑的优化来解决非光度非渗透优化的可能性：即，在光滑的近似值对目标函数的平滑近似下应用平滑的优化方法。对于这种方法，我们在温和的假设下证明了oracle复杂性和平滑度之间的固有权衡：一方面，可以非常有效地平滑非光滑非凸函数（例如，通过随机平滑），但具有尺寸依赖性因子在平滑度参数中，在插入标准平滑优化方法时，这会强烈影响迭代复杂性。另一方面，可以用合适的平滑方法消除这些尺寸因子，而是仅通过使平滑过程的Oracle复杂性呈指数大。
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我们研究了学习单个神经元的基本问题，即$ \ mathbf {x} \ mapsto \ sigma（\ mathbf {w} \ cdot \ cdot \ mathbf {x}）$单调激活$ \ sigma $ \ sigma： \ mathbb {r} \ mapsto \ mathbb {r} $，相对于$ l_2^2 $ -loss，在存在对抗标签噪声的情况下。具体来说，我们将在$（\ mathbf {x}，y）\ in \ mathbb {r}^d \ times \ times \ mathbb {r} $上给我们从$（\ mathbf {x}，y）\ on a发行$ d $中给我们标记的示例。 }^\ ast \ in \ mathbb {r}^d $ achieving $ f（\ mathbf {w}^\ ast）= \ epsilon $，其中$ f（\ mathbf {w}）= \ m马理bf {e} （\ mathbf {x}，y）\ sim d} [（\ sigma（\ mathbf {w} \ cdot \ mathbf {x}） - y）^2] $。学习者的目标是输出假设向量$ \ mathbf {w} $，以使$ f（\ m athbb {w}）= c \，\ epsilon $具有高概率，其中$ c> 1 $是通用常数。作为我们的主要贡献，我们为广泛的分布（包括对数 - 循环分布）和激活功能提供有效的恒定因素近似学习者。具体地说，对于各向同性对数凸出分布的类别，我们获得以下重要的推论：对于逻辑激活，我们获得了第一个多项式时间常数因子近似（即使在高斯分布下）。我们的算法具有样品复杂性$ \ widetilde {o}（d/\ epsilon）$，这在多毛体因子中很紧。对于relu激活，我们给出了一个有效的算法，带有样品复杂性$ \ tilde {o}（d \，\ polylog（1/\ epsilon））$。在我们工作之前，最著名的常数因子近似学习者具有样本复杂性$ \ tilde {\ omega}（d/\ epsilon）$。在这两个设置中，我们的算法很简单，在（正规）$ L_2^2 $ -LOSS上执行梯度散发。我们的算法的正确性取决于我们确定的新结构结果，表明（本质上是基本上）基础非凸损失的固定点大约是最佳的。
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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.
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逃生马鞍点是非渗透优化中的中央研究主题。在本文中，我们提出了一种简单的基于梯度的算法，使得对于平滑函数$ f \ colon \ mathbb {r} ^ n \ to \ mathbb {r} $，它输出$ \ epsilon $-uppatione二阶$ \ tilde {o}（\ log n / \ epsilon ^ {1.75}）$迭代。与先前的jin等人的最先进的算法相比。使用$ \ tilde {o}（（\ log n）^ {4} / \ epsilon ^ {2}）$或$ \ tilde {o}（（\ log n）^ {6} / \ epsilon ^ {1.75} ）$迭代，我们的算法在$ \ log n $方面多项式更好，并在$ 1 / \ epsilon $方面与他们的复杂性匹配。对于随机设置，我们的算法输出$ \ epsilon $ - $ \ tilde {o}（（\ log n）^ {2} / \ epsilon ^ {4}）$迭代。从技术上讲，我们的主要贡献是仅使用仅使用梯度实施强大的Hessian电源方法，该方法可以在马鞍点附近找到负曲率，并在$ \ log n $中实现多项式加速度与扰动的梯度下降方法相比。最后，我们还执行支持我们的结果的数值实验。
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训练神经网络的一种常见方法是将所有权重初始化为独立的高斯向量。我们观察到，通过将权重初始化为独立对，每对由两个相同的高斯向量组成，我们可以显着改善收敛分析。虽然已经研究了类似的技术来进行随机输入[Daniely，Neurips 2020]，但尚未使用任意输入进行分析。使用此技术，我们展示了如何显着减少两层relu网络所需的神经元数量，均在逻辑损失的参数化设置不足的情况下，大约$ \ gamma^{ - 8} $ [Ji and telgarsky，ICLR， 2020]至$ \ gamma^{ - 2} $，其中$ \ gamma $表示带有神经切线内核的分离边距，以及在与平方损失的过度参数化设置中，从大约$ n^4 $ [song [song]和Yang，2019年]至$ n^2 $，隐含地改善了[Brand，Peng，Song和Weinstein，ITCS 2021]的近期运行时间。对于参数不足的设置，我们还证明了在先前工作时改善的新下限，并且在某些假设下是最好的。
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Experimental sciences have come to depend heavily on our ability to organize, interpret and analyze high-dimensional datasets produced from observations of a large number of variables governed by natural processes. Natural laws, conservation principles, and dynamical structure introduce intricate inter-dependencies among these observed variables, which in turn yield geometric structure, with fewer degrees of freedom, on the dataset. We show how fine-scale features of this structure in data can be extracted from \emph{discrete} approximations to quantum mechanical processes given by data-driven graph Laplacians and localized wavepackets. This data-driven quantization procedure leads to a novel, yet natural uncertainty principle for data analysis induced by limited data. We illustrate the new approach with algorithms and several applications to real-world data, including the learning of patterns and anomalies in social distancing and mobility behavior during the COVID-19 pandemic.
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