Quantum machine learning is a promising programming paradigm for the optimization of quantum algorithms in the current era of noisy intermediate scale quantum (NISQ) computers. A fundamental challenge in quantum machine learning is generalization, as the designer targets performance under testing conditions, while having access only to limited training data. Existing generalization analyses, while identifying important general trends and scaling laws, cannot be used to assign reliable and informative "error bars" to the decisions made by quantum models. In this article, we propose a general methodology that can reliably quantify the uncertainty of quantum models, irrespective of the amount of training data, of the number of shots, of the ansatz, of the training algorithm, and of the presence of quantum hardware noise. The approach, which builds on probabilistic conformal prediction, turns an arbitrary, possibly small, number of shots from a pre-trained quantum model into a set prediction, e.g., an interval, that provably contains the true target with any desired coverage level. Experimental results confirm the theoretical calibration guarantees of the proposed framework, referred to as quantum conformal prediction.


翻译:量子机器学习是当前噪声中间规模量子计算机时代中优化量子算法的一种有前途的编程范式。量子机器学习的一个基本挑战是泛化,即设计者在仅访问有限的训练数据的情况下,以测试条件的表现为目标。现有的泛化分析虽然识别了重要的一般趋势和尺度规律,但不能用于为量子模型的决策分配可靠和有用的“误差条”。 在本文中,我们提出了一种通用的方法,可以在任何训练数据量、任何shot数、任何各向异性、任何训练算法和任何存在的量子硬件噪声情况下,可靠地量化量子模型的不确定性。这种方法建立在随机对拟合预测上,可以将任何一个预先训练的量子模型的任意量的shot转化为一个置信区间,例如一个区间,在任何所需的覆盖水平下,确保包含真正的目标。实验结果验证了所提出的框架的理论校准保证,称为量子拟合预测。

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