Quantum machine learning models have the potential to offer speedups and better predictive accuracy compared to their classical counterparts. However, these quantum algorithms, like their classical counterparts, have been shown to also be vulnerable to input perturbations, in particular for classification problems. These can arise either from noisy implementations or, as a worst-case type of noise, adversarial attacks. In order to develop defence mechanisms and to better understand the reliability of these algorithms, it is crucial to understand their robustness properties in presence of natural noise sources or adversarial manipulation. From the observation that measurements involved in quantum classification algorithms are naturally probabilistic, we uncover and formalize a fundamental link between binary quantum hypothesis testing and provably robust quantum classification. This link leads to a tight robustness condition which puts constraints on the amount of noise a classifier can tolerate, independent of whether the noise source is natural or adversarial. Based on this result, we develop practical protocols to optimally certify robustness. Finally, since this is a robustness condition against worst-case types of noise, our result naturally extends to scenarios where the noise source is known. Thus, we also provide a framework to study the reliability of quantum classification protocols beyond the adversarial, worst-case noise scenarios.


翻译:量子机器学习模型有可能提供超速和更好的预测性,但是,这些量子算法,如古典对应算法一样,被证明也容易受到输入干扰,特别是分类问题,它们可能来自音响执行,或最坏情况下的噪音攻击。为了发展防御机制和更好地了解这些算法的可靠性,在自然噪音源或对抗性操纵的情况下,必须了解其稳健性特性。从量子分类算法的测量方法自然具有概率的观察来看,我们发现并正式确定二量子假设试验与可变稳的量子分类之间的基本联系。这种联系导致一种严格稳健性条件,使噪音分类者能够容忍的数量受到限制,而不论噪音源是自然的还是对抗性的。基于这一结果,我们制定了最佳验证稳健性的实际协议。最后,由于这是对付最坏的噪音类型的稳健性条件,因此我们的结果自然延伸到噪音源已知的情景。因此,我们还提供了一个最坏的临界性协议的可靠性框架。因此,我们提供了一个最差的临界性标准框架,用于研究可靠性。

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