Learning the closest matrix product state (MPS) representation of a quantum state is known to enable useful tools for prediction and analysis of complex quantum systems. In this work, we study the problem of learning MPS in following setting: given many copies of an input MPS, the task is to recover a classical description of the state. The best known polynomial-time algorithm, introduced by [LCLP10, CPF+10], requires linear circuit depth and $O(n^5)$ samples, and has seen no improvement in over a decade. The strongest known lower bound is only $\Omega(n)$. The combination of linear depth and high sample complexity renders existing algorithms impractical for near-term or even early fault-tolerant quantum devices. We show a new efficient MPS learning algorithm that runs in $O(\log n)$ depth and has sample complexity $O(n^3)$. Also, we can generalize our algorithm to learn closest MPS state, in which the input state is not guaranteed to be close to the MPS with a fixed bond dimension. Our algorithms also improve both sample complexity and circuit depth of previous known algorithm.


翻译:学习量子态的最近矩阵乘积态表示,已知能为复杂量子系统的预测与分析提供有效工具。本研究探讨在以下设定中的MPS学习问题:给定输入MPS的多个副本,任务是从中恢复该态的经典描述。由[LCLP10, CPF+10]提出的已知最佳多项式时间算法需要线性电路深度和$O(n^5)$样本量,且十余年来未见改进。目前已知的最强下界仅为$\Omega(n)$。线性深度与高样本复杂度的结合使得现有算法难以适用于近期甚至早期容错量子设备。我们提出了一种新的高效MPS学习算法,该算法在$O(\log n)$深度下运行,且样本复杂度为$O(n^3)$。此外,我们的算法可推广至学习最近MPS态,其中输入态并不保证接近具有固定键维度的MPS。我们的算法在样本复杂度和电路深度两方面均改进了先前已知算法。

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