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Near-optimal quantum kernel principal component analysis

主成分分析 核主成分分析 组分(热力学) 核(代数) 量子 数学 计算机科学 统计 人工智能 物理 核方法 组合数学 量子力学 支持向量机
作者
Youle Wang
出处
期刊:Quantum science and technology [IOP Publishing]
卷期号:10 (1): 015034-015034
标识
DOI:10.1088/2058-9565/ad9176
摘要

Abstract Kernel principal component analysis (kernel PCA) is a nonlinear dimensionality reduction technique that employs kernel functions to map data into a high-dimensional feature space, thereby extending the applicability of linear PCA to nonlinear data and facilitating the extraction of informative principal components. However, kernel PCA necessitates the manipulation of large-scale matrices, leading to high computational complexity and posing challenges for efficient implementation in big data environments. Quantum computing has recently been integrated with kernel methods in machine learning, enabling effective analysis of input data within intractable feature spaces. Although existing quantum kernel PCA proposals promise exponential speedups, they impose stringent requirements on quantum hardware that are challenging to fulfill. In this work, we propose a quantum algorithm for kernel PCA by establishing a connection between quantum kernel methods and block encoding, thereby diagonalizing the centralized kernel matrix on a quantum computer. The query complexity is logarithmic with respect to the size of the data vector, D , and linear with respect to the size of the dataset. An exponential speedup could be achieved when the dataset consists of a few high-dimensional vectors, wherein the dataset size is polynomial in log ( D ) , with D being significantly large. In contrast to existing work, our algorithm enhances the efficiency of quantum kernel PCA and reduces the requirements for quantum hardware. Furthermore, we have also demonstrated that the algorithm based on block encoding matches the lower bound of query complexity, indicating that our algorithm is nearly optimal. Our research has laid down new pathways for developing quantum machine learning algorithms aimed at addressing tangible real-world problems and demonstrating quantum advantages within machine learning.

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