Classical shadows (CS) offer a resource-efficient means to estimate quantum observables, circumventing the need for exhaustive state tomography. Here, we clarify and explore the connection between CS techniques and least squares (LS) and regularized least squares (RLS) methods commonly used in machine learning and data analysis. By formal identification of LS and RLS ``shadows'' completely analogous to those in CS -- namely, point estimators calculated from the empirical frequencies of single measurements -- we show that both RLS and CS can be viewed as regularizers for the underdetermined regime, replacing the pseudoinverse with invertible alternatives. Through numerical simulations, we evaluate RLS and CS from three distinct angles: the tradeoff in bias and variance, mismatch between the expected and actual measurement distributions, and the interplay between the number of measurements and number of shots per measurement. Compared to CS, RLS attains lower variance at the expense of bias, is robust to distribution mismatch, and is more sensitive to the number of shots for a fixed number of state copies -- differences that can be understood from the distinct approaches taken to regularization. Conceptually, our integration of LS, RLS, and CS under a unifying ``shadow'' umbrella aids in advancing the overall picture of CS techniques, while practically our results highlight the tradeoffs intrinsic to these measurement approaches, illuminating the circumstances under which either RLS or CS would be preferred, such as unverified randomness for the former or unbiased estimation for the latter.


翻译:经典阴影(CS)提供了一种资源高效的方式来估计量子观测量,免除了穷尽态层析的需求。本文阐明并探讨了CS技术与机器学习及数据分析中常用的最小二乘法(LS)和正则化最小二乘法(RLS)之间的联系。通过形式化识别LS和RLS的“阴影”——即完全类似于CS中根据单次测量经验频率计算得到的点估计量——我们证明RLS和CS均可视为欠定情形下的正则化器,将伪逆替换为可逆替代方案。通过数值模拟,我们从三个不同角度评估RLS和CS:偏差与方差的权衡、期望测量分布与实际测量分布的失配、以及测量次数与每次测量采样次数之间的相互作用。与CS相比,RLS以偏差为代价获得更低的方差,对分布失配具有鲁棒性,并且在固定状态副本数下对单次测量采样次数更为敏感——这些差异可通过正则化方法的不同路径来理解。在概念上,我们将LS、RLS和CS统一到“阴影”框架下,有助于推进对CS技术整体图景的认识;在实践中,我们的结果凸显了这些测量方法固有的权衡关系,阐明RLS或CS各自适用的情况,例如前者适用于未经验证的随机性,后者则适用于无偏估计。

0
下载
关闭预览

相关内容

计算机科学(Computer Science, CS)是系统性研究信息与计算的理论基础以及它们在计算机系统中如何实现与应用的实用技术的学科。 它通常被形容为对那些创造、描述以及转换信息的算法处理的系统研究。计算机科学包含很多分支领域;其中一些,比如计算机图形学强调特定结果的计算,而另外一些,比如计算复杂性理论是学习计算问题的性质。还有一些领域专注于挑战怎样实现计算。比如程序设计语言理论学习描述计算的方法,而程序设计是应用特定的程序设计语言解决特定的计算问题,人机交互则是专注于挑战怎样使计算机和计算变得有用、可用,以及随时随地为 所用。 现代计算机科学( Computer Science)包含理论计算机科学和应用计算机科学两大分支。
Linux导论,Introduction to Linux,96页ppt
专知会员服务
82+阅读 · 2020年7月26日
FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
灾难性遗忘问题新视角:迁移-干扰平衡
CreateAMind
17+阅读 · 2019年7月6日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
可解释的CNN
CreateAMind
18+阅读 · 2017年10月5日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
Layer Normalization原理及其TensorFlow实现
深度学习每日摘要
32+阅读 · 2017年6月17日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
The impact of heteroskedasticity on uplift modeling
Arxiv
0+阅读 · 2023年12月8日
VIP会员
最新内容
《多域战场上反制小型无人机系统》150页
专知会员服务
14+阅读 · 6月11日
战场人工智能:增强陆地作战能力的发现与要求
以人工智能为中心的指挥控制
专知会员服务
3+阅读 · 6月11日
《基于深度强化学习的反无人机技术研究》178页
专知会员服务
13+阅读 · 6月10日
“史诗怒火”行动与“AI中心战”模式的浮现
专知会员服务
15+阅读 · 6月10日
【CVPR2026教程】扩散模型的解析理解
专知会员服务
6+阅读 · 6月10日
相关资讯
灾难性遗忘问题新视角:迁移-干扰平衡
CreateAMind
17+阅读 · 2019年7月6日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
可解释的CNN
CreateAMind
18+阅读 · 2017年10月5日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
Layer Normalization原理及其TensorFlow实现
深度学习每日摘要
32+阅读 · 2017年6月17日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
相关基金
国家自然科学基金
1+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员