خوارزمية تعلم الآلة الكمومية الجديدة: نموذج ماركوف الكمي المخفي المستوحى من المعادلة الرئيسية الشرطية الكمومية

خوارزمية تعلم الآلة الكمومية الجديدة: نموذج ماركوف الكمي المخفي المستوحى من المعادلة الرئيسية الشرطية الكمومية

الطابع الزمني: 24 كانون الثاني (يناير) 2024 ، الساعة 7:38 صباحًا
عقدة المصدر: 3083772

شياو يو لي1، تشين شنغ تشو2، يونغ هو2، هاو وو2,3، قوه وو يانغ4، ليان هوي يو2، وجينج تشن4

1كلية المعلومات وهندسة البرمجيات، جامعة العلوم الإلكترونية والتكنولوجيا في الصين، تشنغ دو، 610054، الصين
2كلية الفيزياء، جامعة العلوم الإلكترونية والتكنولوجيا في الصين، تشنغ دو، 610054، الصين
3معهد تكنولوجيا الإلكترونيات وصناعة المعلومات في كاش، كاش، 844000، الصين
4كلية علوم وهندسة الكمبيوتر، جامعة العلوم والتكنولوجيا الإلكترونية في الصين، تشنغ دو، 610054، الصين

تجد هذه الورقة مثيرة للاهتمام أو ترغب في مناقشة؟ Scite أو ترك تعليق على SciRate.

ملخص

يتمتع نموذج ماركوف الكمي المخفي (HQMM) بإمكانيات كبيرة لتحليل بيانات السلاسل الزمنية ودراسة العمليات العشوائية في المجال الكمي كخيار ترقية مع مزايا محتملة مقارنة بنماذج ماركوف الكلاسيكية. في هذا البحث، قدمنا ​​انقسام HQMM (SHQMM) لتنفيذ عملية ماركوف الكمومية المخفية، وذلك باستخدام المعادلة الرئيسية الشرطية مع شرط التوازن الدقيق لإظهار الترابط بين الحالات الداخلية للنظام الكمي. تشير النتائج التجريبية إلى أن نموذجنا يتفوق على النماذج السابقة من حيث نطاق التطبيقات والمتانة. بالإضافة إلى ذلك، قمنا بإنشاء خوارزمية تعليمية جديدة لحل المعلمات في HQMM من خلال ربط المعادلة الرئيسية الشرطية الكمومية بـ HQMM. أخيرًا، تقدم دراستنا دليلًا واضحًا على أن نظام النقل الكمي يمكن اعتباره تمثيلًا ماديًا لـ HQMM. يقدم SHQMM مع الخوارزميات المصاحبة طريقة جديدة لتحليل الأنظمة الكمومية والسلاسل الزمنية القائمة على التنفيذ المادي.

صورة مميزة: الرسم البياني الحسابي الموسع لـ $ρ^n(t)$ لمجموعة من التسلسلات $y_0$، $y_1$ · · ·، $y_T$.

ملخص شعبي

في هذا العمل، بدءًا من إطار النظرية الفيزيائية للنظام المفتوح واستخدام المعادلة الرئيسية للحالة الكمومية المستمدة من إدخال شروط التوازن التفصيلية، قمنا نظريًا بإنشاء العلاقة بين المعادلة الرئيسية للحالة الكمومية ونموذج ماركوف الكمومي المخفي. في الوقت نفسه، نقترح نموذج ماركوف الكمي المنفصل (SHQMM). ومن المثير أن النتائج التجريبية لا تؤكد فقط تفوق الخوارزميات الكمومية على الخوارزميات الكلاسيكية، ولكنها تثبت أيضًا أن نموذجنا يتفوق في الأداء على نماذج HQMMs السابقة، مما يوفر تطبيقات واسعة في دراسة الحالات الداخلية للأنظمة الكمومية.

► بيانات BibTeX

ferences المراجع

[1] خوان الأول شيراك وبيتر زولر. “الحسابات الكمومية مع الأيونات المحاصرة الباردة”. رسائل المراجعة البدنية 74، 4091 (1995).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / physrevlett.74.4091

[2] إيمانويل نيل، ريموند لافلام، وجيرالد ميلبورن. “مخطط لحساب الكم الفعال مع البصريات الخطية”. طبيعة 409، 46-52 (2001).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1038 / 35051009

[3] جاكوب بيامونتي وبيتر ويتيك ونيكولا بانكوتي وباتريك ريبنتروست وناثان ويب وسيث لويد. "التعلم الآلي الكمي". طبيعة 549 ، 195-202 (2017).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1038 / nature23474

[4] إم سيريزو، وغيوم فيردون، وهسين يوان هوانغ، ولوكاس سينسيو، وباتريك جيه كولز. “التحديات والفرص في التعلم الآلي الكمي”. طبيعة العلوم الحسابية 2، 567-576 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s43588-022-00311-3

[5] كيشور بهارتي، ألبا سيرفيرا-لييرتا، ثي ها كياو، توبياس هوج، سمنر ألبرين-ليا، أبهيناف أناند، ماتياس ديجروت، هيرماني هييمونين، جاكوب إس كوتمان، تيم مينكي، وآخرون. “خوارزميات الكم المتوسطة الحجم (nisq) الصاخبة (2021)” (2021). أرخايف:2101.08448v1.
أرخايف: 2101.08448v1

[6] آلان أسبورو-جوزيك، ورولاند ليند، وماركوس ريهر. “تطور محاكاة المادة (ص)”. ACS العلوم المركزية 4، 144-152 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1021 / acscentsci.7b00550

[7] يوليا إم جورجيسكو، وسهل أشهب، وفرانكو نوري. “المحاكاة الكمومية”. مراجعات الفيزياء الحديثة 86، 153 (2014).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.86.153

[8] ماركوس ريهير ، وناثان ويب ، وكريستا إم سفور ، وديف ويكر ، وماتياس تروير. "توضيح آليات التفاعل على الحواسيب الكمومية". وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم 114 ، 7555-7560 (2017).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1073 / pnas.1619152114

[9] يودونغ كاو ، جوناثان روميرو ، وآلان أسبورو-جوزيك. "إمكانات الحوسبة الكمومية لاكتشاف الأدوية". مجلة آي بي إم للبحوث والتطوير 62 ، 6-1 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1147 / JRD.2018.2888987

[10] رومان أوروس ، صموئيل موغل ، وإنريكي ليزاسو. "الحوسبة الكمية للتمويل: نظرة عامة والآفاق". مراجعات في Physics 4، 100028 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.revip.2019.100028

[11] بيير لوك دالير ديمرز، وجوناثان روميرو، وليبور فيس، وسوكين سيم، وألان أسبورو جوزيك. "دائرة منخفضة العمق لتحضير حالات فرميونية مترابطة على حاسوب كمي". علوم وتكنولوجيا الكم 4، 045005 (2019).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1088 / 2058-9565 / ab3951

[12] إليزابيث فونز، وباولا داوسون، وجيفري ياو، وشياو جون تسنغ، وجون كين. "نظام توزيع أصول ديناميكي جديد يستخدم نماذج ماركوف المميزة البارزة للاستثمار التجريبي الذكي". الأنظمة المتخصصة مع التطبيقات 163، 113720 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.eswa.2020.113720

[13] بي في تشاندريكا، وكيه فيسالاكشمي، وكيه ساكثي سرينيفاسان. "تطبيق نماذج ماركوف المخفية في تداول الأسهم". في عام 2020 المؤتمر الدولي السادس لأنظمة الحوسبة والاتصالات المتقدمة (ICACCS). الصفحات 6-1144. (1147).
https://​/doi.org/​10.1109/​ICACCS48705.2020.9074387

[14] ديما سليمان، عرفات عوجان، ووائل الطويوي. "استخدام نموذج ماركوف المخفي في المعالجة الطبيعية للغة العربية: دراسة ميدانية". بروسيديا علوم الكمبيوتر 113، 240-247 (2017).
https://​/doi.org/10.1016/​j.procs.2017.08.363

[15] حريز زكا محمد، محمد نصرون، كاسي ستيانينجسيه، ومحمد آري مورتي. "التعرف على الكلام للمترجم من الإنجليزية إلى الإندونيسية باستخدام نموذج ماركوف المخفي". في المؤتمر الدولي للإشارات والأنظمة لعام 2018 (ICSigSys). الصفحات 255-260. معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (2018).
https://​/​doi.org/​10.1109/​ICSIGSYS.2018.8372768

[16] إريك إل إل سونهامر، جونار فون هيجن، أندرس كروغ، وآخرون. “نموذج ماركوف المخفي للتنبؤ بحلقات الغشاء في تسلسل البروتين”. في LSMB 1998. الصفحات 175-182. (1998). رابط: https://​/​cdn.aaai.org/​ISMB/​1998/​ISMB98-021.pdf.
https://​/​cdn.aaai.org/​ISMB/​1998/​ISMB98-021.pdf

[17] غاري شيه وجين إم فير. "نموذج ماركوف المخفي: أقصر نهج تمثيلي فريد للكشف عن سموم البروتين وعوامل الفوعة وجينات مقاومة المضادات الحيوية". ملاحظات أبحاث BMC 14، 1-5 (2021).
https://​/doi.org/10.21203/​rs.3.rs-185430/​v1

[18] شون آر إيدي. “ما هو نموذج ماركوف المخفي؟”. التكنولوجيا الحيوية الطبيعية 22، 1315-1316 (2004).
https://​/doi.org/10.1038/​nbt1004-1315

[19] بول إم باجينستوس. "خوارزمية باوم ويلش المعدلة لنماذج ماركوف المخفية ذات مساحات المراقبة المتعددة". معاملات IEEE بشأن معالجة الكلام والصوت 9، 411-416 (2001).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1109 / 89.917686

[20] ألكسندر كافسيتش وخوسيه إم إف مورا. “خوارزمية فيتيربي وذاكرة ضجيج ماركوف”. معاملات IEEE حول نظرية المعلومات 46، 291-301 (2000).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1109 / 18.817531

[21] تود ك مون. “خوارزمية تعظيم التوقعات”. مجلة IEEE لمعالجة الإشارات 13، 47-60 (1996).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1109 / 79.543975

[22] أليكس مونراس، وألموت بيج، وكارولين ويزنر. "نماذج ماركوف الكمومية المخفية والقراءة غير التكيفية لحالات الجسم المتعددة" (2010). أرخايف:1002.2337.
أرخايف: 1002.2337

[23] سيدارث سرينيفاسان وجيف جوردون وبايرون بوتس. “تعلم نماذج ماركوف الكم المخفية”. في عاموس ستوركي وفرناندو بيريز كروز، محرران، وقائع المؤتمر الدولي الحادي والعشرين للذكاء الاصطناعي والإحصاء. المجلد 84 من وقائع أبحاث التعلم الآلي، الصفحات 1979-1987. بي إم إل آر (2018). رابط: https://proceedings.mlr.press/v84/srinivasan18a.html.
https://​/proceedings.mlr.press/​v84/​srinivasan18a.html

[24] هربرت جايجر. “نماذج المشغلين التي يمكن ملاحظتها للسلاسل الزمنية العشوائية المنفصلة”. الحساب العصبي 12، 1371-1398 (2000).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1162 / 089976600300015411

[25] تشينغ ليو، توماس ج. إليوت، فيليكس سي. بيندر، كارلو دي فرانكو، ومايل جو. “النمذجة العشوائية المثالية مع ديناميكيات الكم الوحدوية”. فيز. القس أ 99، 062110 (2019).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.062110

[26] توماس جي إليوت. “ضغط الذاكرة والكفاءة الحرارية للتطبيقات الكمومية لنماذج ماركوف المخفية غير الحتمية”. المراجعة البدنية أ 103، 052615 (2021).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.103.052615

[27] سانديش أديكاري وسيدارث سرينيفاسان وجيف جوردون وبايرون بوتس. “التعبير والتعلم لنماذج ماركوف الكم المخفية”. في المؤتمر الدولي للذكاء الاصطناعي والإحصاء. الصفحات 4151-4161. (2020). رابط: http://​/proceedings.mlr.press/​v108/​adhikary20a/adhikary20a.pdf.
http://​/​proceedings.mlr.press/​v108/​adhikary20a/​adhikary20a.pdf

[28] بو جيانغ ويو هونغ داي. "إطار عمل لخطط الحفاظ على القيود من أجل تحسين مشعب Stiefel". البرمجة الرياضية 153، 535-575 (2015).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s10107-014-0816-7

[29] فانيو ماركوف، وفلاديمير راستونكوف، وأمول ديشموخ، ودانيال فراي، وتشارلي ستيفانسكي. "تنفيذ وتعلم نماذج ماركوف الكمومية المخفية" (2022). أرخايف:2212.03796v2.
أرخايف: 2212.03796v2

[30] شيانتاو لي وتشونهاو وانغ. "محاكاة أنظمة الكم المفتوحة الماركوفية باستخدام توسيع سلسلة ذات ترتيب أعلى" (2022). أرخايف:2212.02051v2.
أرخايف: 2212.02051v2

[31] يوشيتاكا تانيمورا. “مقاربات ستوكاستيك ليوفيل ولانجفين وفوكر-بلانك والمعادلة الرئيسية للأنظمة التبددية الكمومية”. مجلة الجمعية الفيزيائية اليابانية 75، 082001 (2006).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1143 / JPSJ.75.082001

[32] أكيهيتو إيشيزاكي وجراهام آر فليمنج. “المعالجة الموحدة لديناميات القفز المتماسكة وغير المتماسكة في نقل الطاقة الإلكترونية: نهج معادلة التسلسل الهرمي المخفض”. مجلة الفيزياء الكيميائية 130 (2009).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1063 / 1.3155372

[33] جينشوانغ جين، وشياو تشنغ، وييجينغ يان. “الديناميكيات الدقيقة للأنظمة الإلكترونية المبددة والنقل الكمي: المعادلات الهرمية لنهج الحركة”. مجلة الفيزياء الكيميائية 128 (2008).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1063 / 1.2938087

[34] لويس أ كلارك، وي هوانغ، توماس إم بارلو، وألموت بيج. “نماذج ماركوف الكم المخفية وأنظمة الكم المفتوحة ذات التغذية الراجعة اللحظية”. في ندوة ISCS 2014 متعددة التخصصات حول الأنظمة المعقدة. الصفحات 143-151. (2015).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-319-10759-2$_$16

[35] شين تشي لي، جونيان لوه، يونج جانج يانج، بينج كوي، وييجينج يان. “نهج المعادلة الرئيسية الكمومية للنقل الكمي من خلال الأنظمة المجهرية”. المراجعة البدنية ب 71، 205304 (2005).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.71.205304

[36] مايكل جي كاستوريانو، فرناندو جي إس إل برانداو، أندراس جيلين، وآخرون. “تحضير الحالة الحرارية الكمومية” (2023). أرخايف:2303.18224.
أرخايف: 2303.18224

[37] مينغ جي تشاو وهربرت جايجر. “نماذج المشغلين التي يمكن ملاحظتها”. الحساب العصبي 22، 1927-1959 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1162 / neco.2010.03-09-983

[38] سانديش أديكاري وسيدارث سرينيفاسان وبايرون بوتس. "تعلم النماذج الرسومية الكمومية باستخدام النسب المتدرج المقيد على مشعب ستيفل" (2019). أرخايف:2101.08448v1.
أرخايف: 2101.08448v1

[39] MS Vijayabaskar David R. Westhead، محرر. “نماذج ماركوف المخفية”. المجلد 2، الصفحة 18. هيومانا نيويورك، نيويورك. (2017).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-1-4939-6753-7

دليلنا يستخدم من قبل

نشرت هذه الورقة في الكم تحت نسبة المشاع الإبداعي 4.0 الدولية (CC BY 4.0) رخصة. يظل حقوق الطبع والنشر مع مالكي حقوق الطبع والنشر الأصليين مثل المؤلفين أو مؤسساتهم.

الطابع الزمني:

اكثر من مجلة الكم