Estimating the difference between quantum data is crucial in quantum computing. However, as typical characterizations of quantum data similarity, the trace distance and quantum fidelity are believed to be exponentially hard to evaluate in general. In this work, we introduce hybrid quantum-classical algorithms for these two distance measures on near-term quantum devices where no assumption of input state is required. First, we introduce the Variational Trace Distance Estimation (VTDE) algorithm. We in particular provide the technique to extract the desired spectrum information of any Hermitian matrix by local measurement. A novel variational algorithm for trace distance estimation is then derived from this technique, with the assistance of a single ancillary qubit. Notably, VTDE could avoid the barren plateau issue with logarithmic depth circuits due to a local cost function. Second, we introduce the Variational Fidelity Estimation (VFE) algorithm. We combine Uhlmann's theorem and the freedom in purification to translate the estimation task into an optimization problem over a unitary on an ancillary system with fixed purified inputs. We then provide a purification subroutine to complete the translation. Both algorithms are verified by numerical simulations and experimental implementations, exhibiting high accuracy for randomly generated mixed states.


翻译:估计量子数据之间的差别在量子计算中至关重要。 但是,由于量子数据相似性的典型特征, 跟踪距离和量的准确性被认为很难进行总体评估。 在这项工作中, 我们为短期量子装置中不要求假定输入状态的两种距离测量引入混合量子古典算法。 首先, 我们引入变异追踪距离估计算法( VTDE ) 。 我们特别提供了通过本地测量提取任何埃米提亚矩阵所需频谱信息的技术。 然后, 在单一辅助方位的协助下, 从这一技术中得出了追踪距离估计的新的变异算法。 值得注意的是, VTDE 可以避免由于本地成本功能而导致的对数深度电路的低温问题。 其次, 我们引入变异预测振动远距离估计算法( VFEFE) 算法( VFEE) 。 我们结合了乌尔曼的理论和净化中将估算任务转化为固定纯化投入的统一系统的最佳问题。 我们随后提供了一种纯化的微量度子路径分析, 以完整的数字模拟的方式进行完整的分析。

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