We analyze the complexity of learning $n$-qubit quantum phase states. A degree-$d$ phase state is defined as a superposition of all $2^n$ basis vectors $x$ with amplitudes proportional to $(-1)^{f(x)}$, where $f$ is a degree-$d$ Boolean polynomial over $n$ variables. We show that the sample complexity of learning an unknown degree-$d$ phase state is $\Theta(n^d)$ if we allow separable measurements and $\Theta(n^{d-1})$ if we allow entangled measurements. Our learning algorithm based on separable measurements has runtime $\textsf{poly}(n)$ (for constant $d$) and is well-suited for near-term demonstrations as it requires only single-qubit measurements in the Pauli $X$ and $Z$ bases. We show similar bounds on the sample complexity for learning generalized phase states with complex-valued amplitudes. We further consider learning phase states when $f$ has sparsity-$s$, degree-$d$ in its $\mathbb{F}_2$ representation (with sample complexity $O(2^d sn)$), $f$ has Fourier-degree-$t$ (with sample complexity $O(2^{2t})$), and learning quadratic phase states with $\varepsilon$-global depolarizing noise (with sample complexity $O(n^{1+\varepsilon})$). These learning algorithms give us a procedure to learn the diagonal unitaries of the Clifford hierarchy and IQP circuits.


翻译:我们分析了学习 $ 美元- qubit 量级的复杂程度。 度- 美元阶段状态被定义为所有 2 美元基矢量的叠加值 $x 美元, 与 美元( 1) 美元( f) 美元( x) 美元) 成比例, 美元( 美元) 是 美元( Boolean) 多元货币的多元值超过 美元变量。 我们表明, 学习一个未知度- 美元等级的复杂程度的样本复杂性是 $( 美元) 。 如果我们允许进行纠缠的测量, 度- 美元( n) 度- 美元( 美元) 度- 基数( 美元) 度( 美元) 基数( 美元) 和 美元( 美元( 美元) 基数( 美元) 和 美元( 美元) 基数( 美元) 。 我们进一步考虑, 当 美元( 美元) 和 美元( 美元( 美元) 美元( 美元) 美元( 美元) 基数( 美元) 美元( 美元) 美元) 和 基( 美元( 美元) 美元) 基数( 美元) 学习过程( 美元) 美元( 美元) 和 美元) 美元) 美元( 美元) 美元( 美元) 美元( 美元) 美元) 美元( 美元) 美元) 基) 。

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