We study learning from quantum data, in particular quantum state classification which has applications, among others, in classifying the separability of quantum states. In this learning model, there are $n$ quantum states with classical labels as the training samples. Predictors are quantum measurements that when applied to the next unseen quantum state predict its classical label. By integrating learning theory with quantum information, we introduce a quantum counterpart of the PAC framework for learning with respect to classes of measurements. We argue that major challenges arising from the quantum nature of the problem are measurement incompatibility and the no-cloning principle -- prohibiting sample reuse. Then, after introducing a Fourier expansion through Pauli's operators, we study learning with respect to an infinite class of quantum measurements whose operator's Fourier spectrum is concentrated on low degree terms. We propose a quantum learning algorithm and show that the quantum sample complexity depends on the ``compatibility structure" of such measurement classes -- the more compatible the class is, the lower the quantum sample complexity will be. We further introduce $k$-junta measurements as a special class of low-depth quantum circuits whose Fourier spectrum is concentrated on low degrees.


翻译:我们从量子数据中学习,特别是量子状态分类,它的应用包括量子状态的分类。在这个学习模型中,有价值的量子状态,以古典标签作为培训样本。预测器是量子测量,在应用到下一个不可见量子状态时可以预测其传统标签。通过将学习理论与量子信息相结合,我们采用了PAC框架的量子对应法,用于学习各类测量。我们争辩说,问题量子性质的主要挑战在于测量不兼容性和非克隆原则 -- -- 禁止采样再利用。然后,在通过Pauli的操作员引入了Fourier扩展后,我们研究如何学习无限量子测量,其操作员的四倍子频谱集中于低度。我们提出量子学习算法,并表明量子样本的复杂性取决于这些测量等级的“相容结构” -- 这个类别越兼容性越低,量子样本的复杂性就越低。我们进一步引入美元-junta测量,作为四倍频谱集中的低度低度低度低度的低度量子电流的特殊类别。

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