In this dissertation, we study the intersection of quantum computing and supervised machine learning algorithms, which means that we investigate quantum algorithms for supervised machine learning that operate on classical data. This area of research falls under the umbrella of quantum machine learning, a research area of computer science which has recently received wide attention. In particular, we investigate to what extent quantum computers can be used to accelerate supervised machine learning algorithms. The aim of this is to develop a clear understanding of the promises and limitations of the current state of the art of quantum algorithms for supervised machine learning, but also to define directions for future research in this exciting field. We start by looking at supervised quantum machine learning (QML) algorithms through the lens of statistical learning theory. In this framework, we derive novel bounds on the computational complexities of a large set of supervised QML algorithms under the requirement of optimal learning rates. Next, we give a new bound for Hamiltonian simulation of dense Hamiltonians, a major subroutine of most known supervised QML algorithms, and then derive a classical algorithm with nearly the same complexity. We then draw the parallels to recent "quantum-inspired" results, and will explain the implications of these results for quantum machine learning applications. Looking for areas which might bear larger advantages for QML algorithms, we finally propose a novel algorithm for Quantum Boltzmann machines, and argue that quantum algorithms for quantum data are one of the most promising applications for QML with potentially exponential advantage over classical approaches.


翻译:在这项论文中,我们研究量子计算和受监督的机器学习算法的交叉点,这意味着我们调查用于古典数据操作的受监督的机器学习的量子算法。这个研究领域属于量子机器学习这一研究领域的范围,这是一个最近得到广泛关注的计算机科学研究领域。特别是,我们调查量子计算机在多大程度上可以用来加速受监督的机器学习算法。这个研究的目的是明确了解用于受监督的机器学习的量子算法目前状态的许诺和局限性,同时确定这个令人振奋的领域的今后研究方向。我们首先通过统计学习理论的透镜来研究受监督的量子机器学习(QML)算法。在这个框架内,我们根据最佳学习率的要求,从大量受监督的量子计算机算法的计算复杂性中得出新的界限。接下来,我们为密尔密尔密尔顿模拟提供了一个新的界限,这是最知名的受监督的QML算法的主要子路程,然后得出一个近乎复杂程度的古典算法。我们随后通过统计学学学理论的平行的量子学应用,我们最后可以解释这些数值算算算法的更大程度的结果。

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