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.


翻译:从量子强化实验中学习物理系统, 依靠量子内存和量子处理, 能够从只有古老记忆和处理的实验中学习出优于优于优于优于优于优于优的实验。 虽然为各种州学习任务建立了量子优势, 量子过程的学习只能带来相似的优势, 只有谨慎的问题配制, 并且不那么容易理解。 我们为学习一个未知的 $- qubit 量子进程建立了一个指数优势 $\ mathcal{N} 。 我们显示量量内存可以有效解决以下任务:(a) 学习一个任意的 $\ 量子内传输的 Pauli 矩阵 。 有了量子记忆, 这些任务可以用直径- $n 美元 的直径调调调调值来解析 。

0
下载
关闭预览

相关内容

【硬核书】矩阵代数基础,248页pdf
专知会员服务
81+阅读 · 2021年12月9日
专知会员服务
25+阅读 · 2021年4月2日
剑桥大学《数据科学: 原理与实践》课程,附PPT下载
专知会员服务
47+阅读 · 2021年1月20日
【干货书】机器学习速查手册,135页pdf
专知会员服务
122+阅读 · 2020年11月20日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
167+阅读 · 2019年10月11日
AIART 2022 Call for Papers
CCF多媒体专委会
1+阅读 · 2022年2月13日
【ICIG2021】Check out the hot new trailer of ICIG2021 Symposium1
中国图象图形学学会CSIG
0+阅读 · 2021年11月3日
Multi-Task Learning的几篇综述文章
深度学习自然语言处理
15+阅读 · 2020年6月15日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
23+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
25+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
17+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
41+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
16+阅读 · 2018年12月24日
【论文】变分推断(Variational inference)的总结
机器学习研究会
39+阅读 · 2017年11月16日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
4+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2023年2月9日
Arxiv
0+阅读 · 2023年2月9日
Arxiv
0+阅读 · 2023年2月8日
Arxiv
22+阅读 · 2022年2月4日
VIP会员
相关VIP内容
【硬核书】矩阵代数基础,248页pdf
专知会员服务
81+阅读 · 2021年12月9日
专知会员服务
25+阅读 · 2021年4月2日
剑桥大学《数据科学: 原理与实践》课程,附PPT下载
专知会员服务
47+阅读 · 2021年1月20日
【干货书】机器学习速查手册,135页pdf
专知会员服务
122+阅读 · 2020年11月20日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
167+阅读 · 2019年10月11日
相关资讯
AIART 2022 Call for Papers
CCF多媒体专委会
1+阅读 · 2022年2月13日
【ICIG2021】Check out the hot new trailer of ICIG2021 Symposium1
中国图象图形学学会CSIG
0+阅读 · 2021年11月3日
Multi-Task Learning的几篇综述文章
深度学习自然语言处理
15+阅读 · 2020年6月15日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
23+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
25+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
17+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
41+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
16+阅读 · 2018年12月24日
【论文】变分推断(Variational inference)的总结
机器学习研究会
39+阅读 · 2017年11月16日
相关基金
国家自然科学基金
1+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
4+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员