A fundamental problem in quantum many-body physics is that of finding ground states of local Hamiltonians. A number of recent works gave provably efficient machine learning (ML) algorithms for learning ground states. Specifically, [Huang et al. Science 2022], introduced an approach for learning properties of the ground state of an $n$-qubit gapped local Hamiltonian $H$ from only $n^{\mathcal{O}(1)}$ data points sampled from Hamiltonians in the same phase of matter. This was subsequently improved by [Lewis et al. Nature Communications 2024], to $\mathcal{O}(\log n)$ samples when the geometry of the $n$-qubit system is known. In this work, we introduce two approaches that achieve a constant sample complexity, independent of system size $n$, for learning ground state properties. Our first algorithm consists of a simple modification of the ML model used by Lewis et al. and applies to a property of interest known beforehand. Our second algorithm, which applies even if a description of the property is not known, is a deep neural network model. While empirical results showing the performance of neural networks have been demonstrated, to our knowledge, this is the first rigorous sample complexity bound on a neural network model for predicting ground state properties. We also perform numerical experiments that confirm the improved scaling of our approach compared to earlier results.


翻译:量子多体物理学中的一个基本问题是寻找局部哈密顿量的基态。近期多项研究提出了可证明高效的机器学习算法用于学习基态性质。具体而言,[Huang等人,《科学》2022年]提出了一种方法,仅需从相同物质相哈密顿量中采样$n^{\mathcal{O}(1)}$个数据点,即可学习$n$量子比特有能隙局部哈密顿量$H$的基态性质。随后[Lewis等人,《自然·通讯》2024年]将所需样本改进至$\mathcal{O}(\log n)$个(当$n$量子比特系统的几何结构已知时)。本工作提出了两种实现恒定样本复杂度(与系统尺寸$n$无关)的学习基态性质的方法。我们的第一种算法通过对Lewis等人所用机器学习模型进行简单修改实现,适用于预先已知的目标性质。第二种算法采用深度神经网络模型,即使目标性质的数学描述未知时仍可适用。尽管神经网络的经验性能已有实证展示,但据我们所知,这是首个关于神经网络预测基态性质的严格样本复杂度界证明。我们还通过数值实验验证了本方法相较于早期成果的改进尺度特性。

0
下载
关闭预览

相关内容

FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17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
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2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
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
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16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
0+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
13+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
2+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
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
Arxiv
70+阅读 · 2022年6月30日
VIP会员
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2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
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
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16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
0+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
13+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
2+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
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