Estimation of quantum relative entropy and its R\'{e}nyi generalizations is a fundamental statistical task in quantum information theory, physics, and beyond. While several estimators of these divergences have been proposed in the literature along with their computational complexities explored, a limit distribution theory which characterizes the asymptotic fluctuations of the estimation error is still premature. As our main contribution, we characterize these asymptotic distributions in terms of Fr\'{e}chet derivatives of elementary operator-valued functions. We achieve this by leveraging an operator version of Taylor's theorem and identifying the regularity conditions needed. As an application of our results, we consider an estimator of quantum relative entropy based on generalized Pauli tomography of quantum states and show that the resulting asymptotic distribution is a centered normal, with its variance characterized in terms of the Pauli operators and states. We utilize the knowledge of the aforementioned limit distribution to obtain asymptotic performance guarantees for a multi-hypothesis testing problem.


翻译:量子相对熵及其Rényi推广的估计是量子信息论、物理学等领域的一项基础统计任务。尽管文献中已提出多种散度估计器并探讨了其计算复杂度,但描述估计误差渐近波动的极限分布理论仍不成熟。作为主要贡献,我们通过基本算子值函数的Fréchet导数表征这些渐近分布。为此,我们利用算子版本的泰勒定理并识别所需的规则性条件。作为应用,我们基于广义Pauli层析成像的量子态相对熵估计器,证明了所得渐近分布为中心正态分布,其方差由Pauli算子和量子态联合表征。我们利用上述极限分布的知识,为多假设检验问题提供了渐近性能保证。

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