Matrix scaling and matrix balancing are two basic linear-algebraic problems with a wide variety of applications, such as approximating the permanent, and pre-conditioning linear systems to make them more numerically stable. We study the power and limitations of quantum algorithms for these problems. We provide quantum implementations of two classical (in both senses of the word) methods: Sinkhorn's algorithm for matrix scaling and Osborne's algorithm for matrix balancing. Using amplitude estimation as our main tool, our quantum implementations both run in time $\tilde O(\sqrt{mn}/\varepsilon^4)$ for scaling or balancing an $n \times n$ matrix (given by an oracle) with $m$ non-zero entries to within $\ell_1$-error $\varepsilon$. Their classical analogs use time $\tilde O(m/\varepsilon^2)$, and every classical algorithm for scaling or balancing with small constant $\varepsilon$ requires $\Omega(m)$ queries to the entries of the input matrix. We thus achieve a polynomial speed-up in terms of $n$, at the expense of a worse polynomial dependence on the obtained $\ell_1$-error $\varepsilon$. We emphasize that even for constant $\varepsilon$ these problems are already non-trivial (and relevant in applications). Along the way, we extend the classical analysis of Sinkhorn's and Osborne's algorithm to allow for errors in the computation of marginals. We also adapt an improved analysis of Sinkhorn's algorithm for entrywise-positive matrices to the $\ell_1$-setting, leading to an $\tilde O(n^{1.5}/\varepsilon^3)$-time quantum algorithm for $\varepsilon$-$\ell_1$-scaling in this case. We also prove a lower bound, showing that our quantum algorithm for matrix scaling is essentially optimal for constant $\varepsilon$: every quantum algorithm for matrix scaling that achieves a constant $\ell_1$-error with respect to uniform marginals needs to make at least $\Omega(\sqrt{mn})$ queries.


翻译:矩阵缩放和矩阵平衡是两个基本的线性- 数字平衡问题, 其应用范围很广, 例如接近永久值, 并预设置线性系统, 使其在数字上更加稳定。 我们研究量子算法在这些问题上的力量和局限性。 我们提供两种经典方法的量性( 两者都指字数) : Sinkhorn 用于矩阵缩放的算法 和 Osbor 用于矩阵平衡的算法。 使用增量估算作为我们的主要工具, 我们的量性实施同时运行在时间上运行 $( sqrt{m} /\ vareprlall%4) 上运行 美元, 用于按比例调整或平衡 美元 Order_ 美元 的值 。 我们的量值- 运算法在不断变现的 美元 中也显示一个不断变数 美元 。

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