Lower Bounds for Learning Quantum States with Single-Copy Measurements
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Notice bibliographique
Résumé
We study the problems of quantum tomography and shadow tomography using measurements performed on individual, identical copies of an unknown d -dimensional state. We first revisit known lower bounds [ 23 ] on quantum tomography with accuracy ε in trace distance, when the measurement choices are independent of previously observed outcomes, i.e., they are nonadaptive. We give a succinct proof of these results through the χ 2 -divergence between suitable distributions. Unlike prior work, we do not require that the measurements be given by rank-one operators. This leads to stronger lower bounds when the learner uses measurements with a constant number of outcomes (e.g., two-outcome measurements). In particular, this rigorously establishes the optimality of the folklore “Pauli tomography” algorithm in terms of its sample complexity. We also derive novel bounds of \(\Omega (r^2 d/\epsilon ^2)\) and \(\Omega (r^2 d^2/\epsilon ^2)\) for learning rank r states using arbitrary and constant-outcome measurements, respectively, in the nonadaptive case. In addition to the sample complexity, a resource of practical significance for learning quantum states is the number of unique measurement settings required (i.e., the number of different measurements used by an algorithm, each possibly with an arbitrary number of outcomes). Motivated by this consideration, we employ concentration of measure of χ 2 -divergence of suitable distributions to extend our lower bounds to the case where the learner performs possibly adaptive measurements from a fixed set of \(\exp (O(d))\) possible measurements. This implies in particular that adaptivity does not give us any advantage using single-copy measurements that are efficiently implementable. We also obtain a similar bound in the case where the goal is to predict the expectation values of a given sequence of observables, a task known as shadow tomography. Finally, in the case of adaptive, single-copy measurements implementable with polynomial-size circuits, we prove that a straightforward strategy based on computing sample means of the given observables is optimal.
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Prédiction distillée sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Apprise à partir de 10 348 étiquettes directes de Codex et de 10 348 étiquettes directes de Gemma. Le mode candidate est l'union des têtes enseignantes seuillées; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont ni des étiquettes humaines ni des étiquettes directes de modèles de pointe.
Scores Codex et Gemma par catégorie
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,001 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,001 |
| Études des sciences et des technologies | 0,001 | 0,000 |
| Communication savante | 0,000 | 0,000 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,000 | 0,000 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,000 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découle