Kernel matrices, which arise from discretizing a kernel function $k(x,x')$, have a variety of applications in mathematics and engineering. Classically, the celebrated fast multipole method was designed to perform matrix multiplication on kernel matrices of dimension $N$ in time almost linear in $N$ by using techniques later generalized into the linear algebraic framework of hierarchical matrices. In light of this success, we propose a quantum algorithm for efficiently performing matrix operations on hierarchical matrices by implementing a quantum block-encoding of the hierarchical matrix structure. When applied to many physical kernel matrices, our quantum algorithm can solve quantum linear systems of dimension $N$ in time $O(\kappa \operatorname{polylog}(\frac{N}{\varepsilon}))$, where $\kappa$ and $\varepsilon$ are the condition number and error bound of the matrix operation. This runtime is near-optimal and, in terms of $N$, exponentially improves over prior quantum linear systems algorithms for dense and full-rank kernel matrices. We discuss possible applications of our algorithm in solving integral equations and accelerating computations in N-body problems.


翻译:在数学和工程学中,不同内核函数$k(x,x”)产生的内核矩阵具有多种应用。典型地说,有节制的快速多极方法的设计是,利用后来普及到分层矩阵线性代数框架的技术,对维度内核矩阵进行矩阵乘法,以美元计时几乎线性地以美元线性计算。鉴于这一成功,我们提出了一个量子算法,以便通过对等级矩阵结构进行量子区块编码,高效率地执行等级矩阵矩阵的矩阵操作。当应用到许多物理内核矩阵时,我们的量子算法可以及时解决维度内核量的量线性系统乘法,用美元(kappaa\ opratorname{poly}(\frac{Nunvarepsilon})) 来及时对维度内核内核内基内基内基内基内基内基内基内基内基内基内基内基内数和内基内基内基内解问题的各种可能应用的方法。我们讨论如何在加速计算内基内基内基内基内基内基内基内基内基内基内基内基内成。

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