We propose fast and practical quantum-inspired classical algorithms for solving linear systems. Specifically, given sampling and query access to a matrix $A\in\mathbb{R}^{m\times n}$ and a vector $b\in\mathbb{R}^m$, we propose classical algorithms that produce a data structure for the solution $x\in\mathbb{R}^{n}$ of the linear system $Ax=b$ with the ability to sample and query its entries. The resulting $x$ satisfies $\|x-A^{+}b\|\leq\epsilon\|A^{+}b\|$, where $\|\cdot\|$ is the spectral norm and $A^+$ is the Moore-Penrose inverse of $A$. Our algorithm has time complexity $\widetilde{O}(\kappa_F^4/\kappa\epsilon^2)$ in the general case, where $\kappa_{F} =\|A\|_F\|A^+\|$ and $\kappa=\|A\|\|A^+\|$ are condition numbers. Compared to the prior state-of-the-art result [Shao and Montanaro, arXiv:2103.10309v2], our algorithm achieves a polynomial speedup in condition numbers. When $A$ is $s$-sparse, our algorithm has complexity $\widetilde{O}(s \kappa\log(1/\epsilon))$, matching the quantum lower bound for solving linear systems in $\kappa$ and $1/\epsilon$ up to poly-logarithmic factors [Harrow and Kothari]. When $A$ is $s$-sparse and symmetric positive-definite, our algorithm has complexity $\widetilde{O}(s\sqrt{\kappa}\log(1/\epsilon))$. Technically, our main contribution is the application of the heavy ball momentum method to quantum-inspired classical algorithms for solving linear systems, where we propose two new methods with speedups: quantum-inspired Kaczmarz method with momentum and quantum-inspired coordinate descent method with momentum. Their analysis exploits careful decomposition of the momentum transition matrix and the application of novel spectral norm concentration bounds for independent random matrices. Finally, we also conduct numerical experiments for our algorithms on both synthetic and real-world datasets, and the experimental results support our theoretical claims.


翻译:我们提出了快速实用的量子启发式经典算法用于求解线性系统。具体而言,给定对矩阵 $A\in\mathbb{R}^{m\times n}$ 和向量 $b\in\mathbb{R}^m$ 的采样与查询访问,我们提出了经典算法,该算法可为线性系统 $Ax=b$ 的解 $x\in\mathbb{R}^n$ 构建一个支持对其元素进行采样与查询的数据结构。所得解 $x$ 满足 $\|x-A^{+}b\|\leq\epsilon\|A^{+}b\|$,其中 $\|\cdot\|$ 为谱范数,$A^+$ 为 $A$ 的摩尔-彭若斯逆。在一般情况下,我们的算法时间复杂度为 $\widetilde{O}(\kappa_F^4/\kappa\epsilon^2)$,其中 $\kappa_{F} =\|A\|_F\|A^+\|$ 与 $\kappa=\|A\|\|A^+\|$ 为条件数。相较于此前最优结果 [Shao and Montanaro, arXiv:2103.10309v2],我们的算法在条件数上实现了多项式级加速。当 $A$ 为 $s$-稀疏矩阵时,算法复杂度为 $\widetilde{O}(s \kappa\log(1/\epsilon)),在 $\kappa$ 与 $1/\epsilon$ 上达到求解线性系统的量子下界(至多相差多对数因子)[Harrow and Kothari]。当 $A$ 为 $s$-稀疏且对称正定矩阵时,算法复杂度为 $\widetilde{O}(s\sqrt{\kappa}\log(1/\epsilon))$。从技术层面看,我们的主要贡献在于将重球动量法应用于求解线性系统的量子启发式经典算法,并提出了两种加速新方法:带动量的量子启发式卡奇玛兹法与带动量的量子启发式坐标下降法。其分析利用了动量转移矩阵的精细分解以及针对独立随机矩阵的新型谱范数集中界。最后,我们在合成数据集与真实数据集上对算法进行了数值实验,实验结果支持了我们的理论结论。

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
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
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
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25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
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
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
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
1+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
超越网格:作战环境对炮兵的影响
专知会员服务
1+阅读 · 今天15:35
KDD 2026 | MixRAGRec:面向LLM推荐的混合专家KG-RAG框架
BES:让语言模型通过双向进化搜索自我改进
专知会员服务
4+阅读 · 5月30日
以色列-美国-伊朗战争中的无人机:关键要点
专知会员服务
4+阅读 · 5月30日
《Palantir任务保障性软件安全标准(MA-S2)》
专知会员服务
14+阅读 · 5月30日
基于声学的无人机检测技术综述
专知会员服务
8+阅读 · 5月30日
《当代混合战争分析框架:俄乌战争经验教训》
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
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
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25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
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
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
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
1+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