Estimating quantum entropies and divergences is an important problem in quantum physics, information theory, and machine learning. Quantum neural estimators (QNEs), which utilize a hybrid classical-quantum architecture, have recently emerged as an appealing computational framework for estimating these measures. Such estimators combine classical neural networks with parametrized quantum circuits, and their deployment typically entails tedious tuning of hyperparameters controlling the sample size, network architecture, and circuit topology. This work initiates the study of formal guarantees for QNEs of measured (Rényi) relative entropies in the form of non-asymptotic error risk bounds. We further establish exponential tail bounds showing that the error is sub-Gaussian, and thus sharply concentrates about the ground truth value. For an appropriate sub-class of density operator pairs on a space of dimension $d$ with bounded Thompson metric, our theory establishes a copy complexity of $O(|Θ(\mathcal{U})|d/ε^2)$ for QNE with a quantum circuit parameter set $Θ(\mathcal{U})$, which has minimax optimal dependence on the accuracy $ε$. Additionally, if the density operator pairs are permutation invariant, we improve the dimension dependence above to $O(|Θ(\mathcal{U})|\mathrm{polylog}(d)/ε^2)$. Our theory aims to facilitate principled implementation of QNEs for measured relative entropies and guide hyperparameter tuning in practice.


翻译:估计量子熵与散度是量子物理、信息论和机器学习中的一个重要问题。量子神经估计器(QNE)采用经典-量子混合架构,近年来已成为估计这些度量的一个引人注目的计算框架。此类估计器将经典神经网络与参数化量子电路相结合,其部署通常需要对控制样本大小、网络架构和电路拓扑的超参数进行繁琐调优。本研究首次对测量(Rényi)相对熵的QNE建立了非渐近误差风险界形式的理论保证。我们进一步建立了指数尾界,表明误差服从亚高斯分布,从而能够围绕真实值进行锐利集中。对于维度为$d$的空间上具有有界汤普森度量的密度算子对的一个适当子类,我们的理论证明:对于具有量子电路参数集$Θ(\mathcal{U})$的QNE,其副本复杂度为$O(|Θ(\mathcal{U})|d/ε^2)$,该结果在精度$ε$上具有极小极大最优依赖性。此外,若密度算子对具有置换不变性,我们可将上述维度依赖性改进为$O(|Θ(\mathcal{U})|\mathrm{polylog}(d)/ε^2)$。我们的理论旨在为测量相对熵的QNE提供原则性实现指导,并在实践中辅助超参数调优。

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