Classical machine learning (ML) provides a potentially powerful approach to solving challenging quantum many-body problems in physics and chemistry. However, the advantages of ML over more traditional methods have not been firmly established. In this work, we prove that classical ML algorithms can efficiently predict ground state properties of gapped Hamiltonians in finite spatial dimensions, after learning from data obtained by measuring other Hamiltonians in the same quantum phase of matter. In contrast, under widely accepted complexity theory assumptions, classical algorithms that do not learn from data cannot achieve the same guarantee. We also prove that classical ML algorithms can efficiently classify a wide range of quantum phases of matter. Our arguments are based on the concept of a classical shadow, a succinct classical description of a many-body quantum state that can be constructed in feasible quantum experiments and be used to predict many properties of the state. Extensive numerical experiments corroborate our theoretical results in a variety of scenarios, including Rydberg atom systems, 2D random Heisenberg models, symmetry-protected topological phases, and topologically ordered phases.


翻译:经典机器学习(ML)提供了解决物理和化学领域数量-体积问题的潜在有力方法。然而,ML相对于传统方法的优势尚未牢固确立。在这项工作中,我们证明古典ML算法在学习了测量其他汉密尔顿人在同一量级物质阶段获得的数据后,能够有效地预测有限空间空间空间空间范围内的缺陷汉密尔顿人的地面状态。相反,在广泛接受的复杂理论假设下,不从数据中学习的经典算法不能达到同样的保证。我们还证明古典ML算法能够有效地分类一系列广泛的量级物质。我们的论点基于古典阴影的概念,即对多种体积状态的简洁的典型描述,可以建立在可行的量级实验中,并用来预测状态的许多特性。广泛的数字实验证实了我们在各种情景中的理论结果,包括Rydberg 原子系统、 2D 随机海森堡模型、对称保护的表层阶段以及按地形顺序排列的阶段。

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机器学习(Machine Learning)是一个研究计算学习方法的国际论坛。该杂志发表文章,报告广泛的学习方法应用于各种学习问题的实质性结果。该杂志的特色论文描述研究的问题和方法,应用研究和研究方法的问题。有关学习问题或方法的论文通过实证研究、理论分析或与心理现象的比较提供了坚实的支持。应用论文展示了如何应用学习方法来解决重要的应用问题。研究方法论文改进了机器学习的研究方法。所有的论文都以其他研究人员可以验证或复制的方式描述了支持证据。论文还详细说明了学习的组成部分,并讨论了关于知识表示和性能任务的假设。 官网地址:http://dblp.uni-trier.de/db/journals/ml/
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