Quantum computing offers the potential of exponential speedups for certain classical computations. Over the last decade, many quantum machine learning (QML) algorithms have been proposed as candidates for such exponential improvements. However, two issues unravel the hope of exponential speedup for some of these QML algorithms: the data-loading problem and, more recently, the stunning dequantization results of Tang et al. A third issue, namely the fault-tolerance requirements of most QML algorithms, has further hindered their practical realization. The quantum topological data analysis (QTDA) algorithm of Lloyd, Garnerone and Zanardi was one of the first QML algorithms that convincingly offered an expected exponential speedup. From the outset, it did not suffer from the data-loading problem. A recent result has also shown that the generalized problem solved by this algorithm is likely classically intractable, and would therefore be immune to any dequantization efforts. However, the QTDA algorithm of Lloyd et~al. has a time complexity of $O(n^4/(\epsilon^2 \delta))$ (where $n$ is the number of data points, $\epsilon$ is the error tolerance, and $\delta$ is the smallest nonzero eigenvalue of the restricted Laplacian) and requires fault-tolerant quantum computing, which has not yet been achieved. In this paper, we completely overhaul the QTDA algorithm to achieve an improved exponential speedup and depth complexity of $O(n\log(1/(\delta\epsilon)))$. Our approach includes three key innovations: (a) an efficient realization of the combinatorial Laplacian as a sum of Pauli operators; (b) a quantum rejection sampling approach to restrict the superposition to the simplices in the complex; and (c) a stochastic rank estimation method to estimate the Betti numbers. We present a theoretical error analysis, and the circuit and computational time and depth complexities for Betti number estimation.


翻译:量子计算为某些古典计算提供了指数化加速速度的潜力。 在过去的十年中,许多量子机学习(QML)算法被推荐为这种指数式改进的候选者。 但是,有两个问题打破了其中一些QML算法指数加速速度的希望:数据负荷问题和最近唐等人惊人的分解结果。 第三个问题,即大多数QML算法的过错容忍要求,进一步阻碍了它们的实际实现。 劳埃德、加内罗内和扎纳迪的量级数据分析(QTDA)完全性地(QTDA) 水平数据分析(QTDA) 劳埃德、加内罗内和扎纳迪奥利(QML) 是第一个令人信服地提供指数加速加速速度的超级算法之一。 从一开始,它并没有因数据负荷问题而受到影响。 最近的结果还表明,通过这个算法解决了普遍问题的可能性,因此不会受到任何消化努力的影响。 然而, 劳埃德和叶尔德罗雅的定量算算算算法( Qal- dalia- daldealdeal dal dation) as a lax, lax lax lax dal dal dal dal dalx a, lax, lax lax a dalxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

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