We describe algorithms to obtain an approximate classical description of a $d$-dimensional quantum state when given access to a unitary (and its inverse) that prepares it. For pure states we characterize the query complexity for $\ell_q$-norm error up to logarithmic factors. As a special case, we show that it takes $\widetilde{\Theta}(d/\varepsilon)$ applications of the unitaries to obtain an $\varepsilon$-$\ell_2$-approximation of the state. For mixed states we consider a similar model, where the unitary prepares a purification of the state. In this model we give an efficient algorithm for obtaining Schatten $q$-norm estimates of a rank-$r$ mixed state, giving query upper bounds that are close to optimal. In particular, we show that a trace-norm ($q=1$) estimate can be obtained with $\widetilde{\mathcal{O}}(dr/\varepsilon)$ queries. This improves (assuming our stronger input model) the $\varepsilon$-dependence over the algorithm of Haah et al.\ (2017) that uses a joint measurement on $\widetilde{\mathcal{O}}(dr/\varepsilon^2)$ copies of the state. To our knowledge, the most sample-efficient results for pure-state tomography come from setting the rank to $1$ in generic mixed-state tomography algorithms, which can be computationally demanding. We describe sample-optimal algorithms for pure states that are easy and fast to implement. Along the way we show that an $\ell_\infty$-norm estimate of a normalized vector induces a (slightly worse) $\ell_q$-norm estimate for that vector, without losing a dimension-dependent factor in the precision. We also develop an unbiased and symmetric version of phase estimation, where the probability distribution of the estimate is centered around the true value. Finally, we give an efficient method for estimating multiple expectation values, improving over the recent result by Huggins et al.\ (2021) when the measurement operators do not fully overlap.


翻译:我们描述算法以获取一个大致的典型描述, 当获得一个单一的( 和它的反向) 来准备它时, 以美元为维度的量子状态。 对于纯状态, 我们描述的是 $\ ell_ q$- norm 错误的查询复杂性, 直至对数值的对数。 作为一个特殊的例子, 我们显示它需要全方位的( d/\ varepsilon) 值来获得一个 $\ varepslon 美元- ell_ 2美元 美元- acolorum 的对数子状态的直线性描述。 对于混合状态, 我们考虑的是类似的模式, 单一状态准备着一个净化的状态。 在这个模式中, 我们给出一个高效的算法, 以美元为标准- 美元为标准, 以美元为标准- 的对数值的直位值的对数值进行追踪, 以美元为标准- 以比值的直方位值的对数值的对数值的对数值进行更精确的估值的估测算。

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