We study the sample complexity of shadow tomography in the high-precision regime under realistic measurement constraints. Given an unknown $d$-dimensional quantum state $ρ$ and a known set of observables $\{O_i\}_{i=1}^m$, the goal is to estimate expectation values $\{\mathrm{tr}(O_iρ)\}_{i=1}^m$ to accuracy $ε$ in $L_p$-norm, using possibly adaptive measurements that act on $O(\mathrm{polylog}(d))$ number of copies of $ρ$ at a time. We focus on the regime where $ε$ is below an instance-dependent threshold. Our main contribution is an instance-optimal characterization of the sample complexity as $\tildeΘ(Γ_p/ε^2)$, where $Γ_p$ is a function of $\{O_i\}_{i=1}^m$ defined via an optimization formula involving the inverse Fisher information matrix. Previously, tight bounds were known only in special cases, e.g. Pauli shadow tomography with $L_\infty$-norm error. Concretely, we first analyze a simpler oblivious variant where the goal is to estimate an observable of the form $\sum_{i=1}^m α_i O_i$ with $\|α\|_q = 1$ (where $q$ is dual to $p$) revealed after the measurement. For single-copy measurements, we obtain a sample complexity of $Θ(Γ^{\mathrm{ob}}_p/ε^2)$. We then show $\tildeΘ(Γ_p/ε^2)$ is necessary and sufficient for the original problem, with the lower bound applying to unbiased, bounded estimators. Our upper bounds rely on a two-step algorithm combining coarse tomography with local estimation. Notably, $Γ^{\mathrm{ob}}_\infty = Γ_\infty$. In both cases, allowing $c$-copy measurements improves the sample complexity by at most $Ω(1/c)$. Our results establish a quantitative correspondence between quantum learning and metrology, unifying asymptotic metrological limits with finite-sample learning guarantees.


翻译:暂无翻译

0
下载
关闭预览

相关内容

 【SIGGRAPH 2020】人像阴影处理,Portrait Shadow Manipulation
专知会员服务
29+阅读 · 2020年5月19日
WWW 2020 开源论文 | 异构图Transformer
PaperWeekly
13+阅读 · 2020年4月3日
“推荐系统”加上“图神经网络”
机器学习与推荐算法
12+阅读 · 2020年3月23日
概率图模型体系:HMM、MEMM、CRF
机器学习研究会
30+阅读 · 2018年2月10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
1+阅读 · 2016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 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
4+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
3+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
VIP会员
最新内容
软件定义无人机蜂群给防空带来全新压力
专知会员服务
5+阅读 · 10月13日
《半自主无人地面战车的互操作性》66页
专知会员服务
5+阅读 · 10月13日
迈向更智慧的军事情报
专知会员服务
5+阅读 · 10月12日
《美国陆军2026年野战手册 2-0 情报》
专知会员服务
5+阅读 · 10月12日
《基于启发式算法求解武器-目标分配问题》
专知会员服务
7+阅读 · 10月12日
《美陆军最新条令出版物 2-0 情报》
专知会员服务
8+阅读 · 10月10日
电子战测试与训练靶场:战前验证战备状态
专知会员服务
3+阅读 · 10月10日
《美国陆军如何作战》46页最新报告
专知会员服务
9+阅读 · 10月10日
相关VIP内容
 【SIGGRAPH 2020】人像阴影处理,Portrait Shadow Manipulation
专知会员服务
29+阅读 · 2020年5月19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
1+阅读 · 2016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 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
4+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
3+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