We study the power of quantum memory for learning properties of quantum systems and dynamics, which is of great importance in physics and chemistry. Many state-of-the-art learning algorithms require access to an additional external quantum memory. While such a quantum memory is not required a priori, in many cases, algorithms that do not utilize quantum memory require much more data than those which do. We show that this trade-off is inherent in a wide range of learning problems. Our results include the following: (1) We show that to perform shadow tomography on an $n$-qubit state rho with $M$ observables, any algorithm without quantum memory requires $\Omega(\min(M, 2^n))$ samples of rho in the worst case. Up to logarithmic factors, this matches the upper bound of [HKP20] and completely resolves an open question in [Aar18, AR19]. (2) We establish exponential separations between algorithms with and without quantum memory for purity testing, distinguishing scrambling and depolarizing evolutions, as well as uncovering symmetry in physical dynamics. Our separations improve and generalize prior work of [ACQ21] by allowing for a broader class of algorithms without quantum memory. (3) We give the first tradeoff between quantum memory and sample complexity. We prove that to estimate absolute values of all $n$-qubit Pauli observables, algorithms with $k < n$ qubits of quantum memory require at least $\Omega(2^{(n-k)/3})$ samples, but there is an algorithm using $n$-qubit quantum memory which only requires $O(n)$ samples. The separations we show are sufficiently large and could already be evident, for instance, with tens of qubits. This provides a concrete path towards demonstrating real-world advantage for learning algorithms with quantum memory.


翻译:我们研究量子系统和动态特性的量子记忆力,这在物理和化学中非常重要。许多最先进的学习算法需要获得更多的外部量子内存。虽然在很多情况下不需要这种量子内存的先验性,但是不使用量子内存的算法需要的数据要远远多于实际数据。我们表明,这种权衡是一系列广泛的学习问题所固有的。我们的结果包括:(1) 我们显示,在以美元计价的量子状态上进行影子透视,用美元观察,任何没有量子内存的算法都需要在最坏的情况下获得额外的量子内存的美元(M,2 ⁇ )的样本样本。在对量子内存的上层(HKP20)和完全解决一个广泛的问题。(2) 我们用量子内存的量值和量子内存的量值进行指数分辨, 并且通过更广义的内存的内存,我们用一个纯度的内存的内存的内存的直径直径直径分析。

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