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。

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。

变异量子算法已被认为是实现有意义的任务（包括机器学习和组合优化）的近期量子优势的领先策略。当应用于涉及经典数据的任务时，这种算法通常从用于数据编码的量子电路开始，然后训练量子神经网络（QNN）以最小化目标函数。尽管已经广泛研究了QNN，以提高这些算法在实际任务上的性能，但系统地了解编码数据对最终性能的影响存在差距。在本文中，我们通过考虑基于参数化量子电路的常见数据编码策略来填补这一空白。我们证明，在合理的假设下，平均编码状态与最大混合状态之间的距离可以明确地相对于编码电路的宽度和深度。该结果特别意味着平均编码状态将以指数速度的深度速度集中在最大混合状态上。这种浓度严重限制了量子分类器的功能，并严格限制了从量子信息的角度来看编码状态的区分性。我们通过在合成和公共数据集上验证这些结果来进一步支持我们的发现。我们的结果突出了机器学习任务中量子数据编码的重要性，并可能阐明未来的编码策略。

量子Gibbs状态的制备是量子计算的重要组成部分，在各种区域具有广泛的应用，包括量子仿真，量子优化和量子机器学习。在本文中，我们提出了用于量子吉布斯状态准备的变分杂化量子典型算法。我们首先利用截短的泰勒系列来评估自由能，并选择截短的自由能量作为损耗功能。然后，我们的协议训练参数化量子电路以学习所需的量子吉布斯状态。值得注意的是，该算法可以在配备有参数化量子电路的近期量子计算机上实现。通过执行数值实验，我们显示浅参数化电路，只有一个额外的量子位训练，以便准备诸如高于95％的保真度的insing链和旋转链Gibbs状态。特别地，对于ising链模型，我们发现，只有一个参数和一个额外的qubit的简化电路ansatz可以训练，以在大于2的逆温度下实现吉布斯状态准备中的99％保真度。

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。

The emergence of variational quantum applications has led to the development of automatic differentiation techniques in quantum computing. Recently, Zhu et al. (PLDI 2020) have formulated differentiable quantum programming with bounded loops, providing a framework for scalable gradient calculation by quantum means for training quantum variational applications. However, promising parameterized quantum applications, e.g., quantum walk and unitary implementation, cannot be trained in the existing framework due to the natural involvement of unbounded loops. To fill in the gap, we provide the first differentiable quantum programming framework with unbounded loops, including a newly designed differentiation rule, code transformation, and their correctness proof. Technically, we introduce a randomized estimator for derivatives to deal with the infinite sum in the differentiation of unbounded loops, whose applicability in classical and probabilistic programming is also discussed. We implement our framework with Python and Q#, and demonstrate a reasonable sample efficiency. Through extensive case studies, we showcase an exciting application of our framework in automatically identifying close-to-optimal parameters for several parameterized quantum applications.

变异量子算法（VQAS）为通过嘈杂的中间规模量子（NISQ）处理器获得量子优势提供了最有希望的途径。这样的系统利用经典优化来调整参数化量子电路（PQC）的参数。目标是最大程度地减少取决于从PQC获得的测量输出的成本函数。通常通过随机梯度下降（SGD）实现优化。在NISQ计算机上，由于缺陷和破坏性而引起的栅极噪声通过引入偏差会影响随机梯度的估计。量子误差缓解（QEM）技术可以减少估计偏差而无需量子数量增加，但它们又导致梯度估计的方差增加。这项工作研究了量子门噪声对SGD收敛的影响，而VQA的基本实例是变异的eigensolver（VQE）。主要目标是确定QEM可以增强VQE的SGD性能的条件。结果表明，量子门噪声在SGD的收敛误差（根据参考无噪声PQC评估）诱导非零误差 - 基础，这取决于噪声门的数量，噪声的强度以及可观察到的可观察到的特征性被测量和最小化。相反，使用QEM，可以获得任何任意小的误差。此外，对于有或没有QEM的误差级别，QEM可以减少所需的迭代次数，但是只要量子噪声水平足够小，并且在每种SGD迭代中允许足够大的测量值。最大切割问题的数值示例证实了主要理论发现。

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。

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。

探索近期量子设备的量子应用是具有理论和实际利益的量子信息科学的快速增长领域。建立这种近期量子应用的领先范式是变异量子算法（VQAS）。这些算法使用经典优化器来训练参数化的量子电路以完成某些任务，其中电路通常是随机初始初始初始化的。在这项工作中，我们证明，对于一系列此类随机电路，成本函数的变化范围通过调整电路中的任何局部量子门在具有很高概率的Qubits数量中呈指数级消失。该结果可以自然地统一对基于梯度和无梯度的优化的限制，并揭示对VQA的训练景观的额外严格限制。因此，对VQA的训练性的基本限制是拆开的，这表明具有指数尺寸的希尔伯特空间中优化硬度的基本机制。我们通过代表性VQA的数值模拟进一步展示了结果的有效性。我们认为，这些结果将加深我们对VQA的可扩展性的理解，并阐明了搜索具有优势的近期量子应用程序。

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。

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。

Variational quantum circuits have been widely employed in quantum simulation and quantum machine learning in recent years. However, quantum circuits with random structures have poor trainability due to the exponentially vanishing gradient with respect to the circuit depth and the qubit number. This result leads to a general standpoint that deep quantum circuits would not be feasible for practical tasks. In this work, we propose an initialization strategy with theoretical guarantees for the vanishing gradient problem in general deep quantum circuits. Specifically, we prove that under proper Gaussian initialized parameters, the norm of the gradient decays at most polynomially when the qubit number and the circuit depth increase. Our theoretical results hold for both the local and the global observable cases, where the latter was believed to have vanishing gradients even for very shallow circuits. Experimental results verify our theoretical findings in the quantum simulation and quantum chemistry.

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。

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。

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.

我们考虑通过连续变量（CV）量子电路生成的学习量子状态，测量和通道的任务。这个电路家族适合描述光学量子技术，特别是它包括能够显示量子优势的最先进的光子处理器。我们定义了映射经典变量的函数类别的类别，该变量编码为CV电路参数，以评估这些电路的结果概率。然后，我们通过计算其伪维数或覆盖数字来确定此类类别的有效学习性保证，表明可以以样品复杂性与电路的大小（即模式数量）多一级缩放的样品复杂性来学习CV量子电路。我们的结果表明，可以使用许多训练样本对CV电路进行有效培训，这些训练样品与有限维度对应物不同，它们不会随电路深度扩展。

量子机学习（QML）中的内核方法最近引起了人们的重大关注，作为在数据分析中获得量子优势的潜在候选者。在其他有吸引力的属性中，当训练基于内核的模型时，可以保证由于训练格局的凸度而找到最佳模型的参数。但是，这是基于以下假设：量子内核可以从量子硬件有效获得。在这项工作中，我们从准确估计内核值所需的资源的角度研究了量子内核的训练性。我们表明，在某些条件下，可以将量子内核在不同输入数据上的值呈指数浓缩（在量子数中）指向一些固定值，从而导致成功训练所需的测量数量的指数缩放。我们确定了可以导致集中度的四个来源，包括：数据嵌入，全球测量，纠缠和噪声的表达性。对于每个来源，分析得出量子内核的相关浓度结合。最后，我们表明，在处理经典数据时，训练用内核比对方法嵌入的参数化数据也容易受到指数浓度的影响。我们的结果通过数值仿真来验证几个QML任务。总体而言，我们提供指南，表明应避免某些功能，以确保量子内核方法的有效评估和训练性。

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。