Un nou algoritm de învățare a mașinilor cuantice: modelul Markov cuantic ascuns împărțit inspirat de ecuația principală condițională cuantică

Un nou algoritm de învățare a mașinilor cuantice: modelul Markov cuantic ascuns împărțit inspirat de ecuația principală condițională cuantică

Marca temporală: 24 ianuarie 2024 7:38
Nodul sursă: 3083772

Xiao-Yu Li1, Qin-Sheng Zhu2, Yong Hu2, Hao Wu2,3, Guo-Wu Yang4, Lian-Hui Yu2și Geng Chen4

1Școala de Inginerie Informațională și Software, Universitatea de Știință și Tehnologie Electronică din China, Cheng Du, 610054, China
2Școala de Fizică, Universitatea de Știință și Tehnologie Electronică din China, Cheng Du, 610054, China
3Institutul de Electronică și Tehnologia Industriei Informaționale din Kash, Kash, 844000, China
4Scoala de Informatica si Inginerie, Universitatea de Stiinta si Tehnologia Electronica din China, Cheng Du, 610054, China

Găsiți această lucrare interesant sau doriți să discutați? Scite sau lasă un comentariu la SciRate.

Abstract

Modelul Markov cuantic ascuns (HQMM) are un potențial semnificativ pentru analiza datelor din seria temporală și studierea proceselor stocastice în domeniul cuantic ca opțiune de actualizare cu potențiale avantaje față de modelele Markov clasice. În această lucrare, am introdus HQMM divizat (SHQMM) pentru implementarea procesului cuantic ascuns Markov, utilizând ecuația principală condiționată cu o condiție de echilibru fin pentru a demonstra interconexiunile dintre stările interne ale sistemului cuantic. Rezultatele experimentale sugerează că modelul nostru depășește modelele anterioare în ceea ce privește domeniul de aplicare și robustețea. În plus, stabilim un nou algoritm de învățare pentru a rezolva parametrii în HQMM, relaționând ecuația principală condițională cuantică la HQMM. În cele din urmă, studiul nostru oferă dovezi clare că sistemul de transport cuantic poate fi considerat o reprezentare fizică a HQMM. SHQMM cu algoritmi însoțitori prezintă o metodă nouă de analiză a sistemelor cuantice și a seriilor de timp bazate pe implementarea fizică.

Imagine prezentată: Diagrama de calcul extinsă a $ρ^n(t)$ pentru un set de secvențe $y_0$, $y_1$ · · · , $y_T$.

Rezumat popular

În această lucrare, pornind de la cadrul teoriei fizice a sistemului deschis și utilizând ecuația principală a condiției cuantice derivată din introducerea condițiilor detaliate de echilibru, stabilim teoretic legătura dintre ecuația principală a condiției cuantice și modelul Markov ascuns cuantic. Simultan, propunem un nou model Splitting Quantum Markov (SHQMM). În mod emoționant, rezultatele experimentale nu numai că validează superioritatea algoritmilor cuantici față de algoritmii clasici, dar demonstrează și că modelul nostru depășește HQMM-urile anterioare, oferind aplicații largi în studiul stărilor interne ale sistemelor cuantice.

► Date BibTeX

► Referințe

[1] Juan I Cirac și Peter Zoller. „Calcule cuantice cu ioni prinși la rece”. Scrisorile de revizuire fizică 74, 4091 (1995).
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevlett.74.4091

[2] Emanuel Knill, Raymond Laflamme și Gerald J Milburn. „O schemă de calcul cuantic eficient cu optică liniară”. natura 409, 46–52 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1038 / 35051009

[3] Jacob Biamonte, Peter Wittek, Nicola Pancotti, Patrick Rebentrost, Nathan Wiebe și Seth Lloyd. „Învățare automată cuantică”. Natura 549, 195–202 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature23474

[4] M Cerezo, Guillaume Verdon, Hsin-Yuan Huang, Lukasz Cicio și Patrick J Coles. „Provocări și oportunități în învățarea automată cuantică”. Nature Computational Science 2, 567–576 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s43588-022-00311-3

[5] Kishor Bharti, Alba Cervera-Lierta, Thi Ha Kyaw, Tobias Haug, Sumner Alperin-Lea, Abhinav Anand, Matthias Degroote, Hermanni Heimonen, Jakob S Kottmann, Tim Menke, et al. „Algoritmi zgomotoși la scară intermediară cuantică (nisq) (2021)” (2021). arXiv:2101.08448v1.
arXiv: 2101.08448v1

[6] Alán Aspuru-Guzik, Roland Lindh și Markus Reiher. „Simularea materiei (r) evoluția”. ACS central science 4, 144–152 (2018).
https://​/​doi.org/​10.1021/​acscentsci.7b00550

[7] Iulia M Georgescu, Sahel Ashhab și Franco Nori. „Simulare cuantică”. Reviews of Modern Physics 86, 153 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.86.153

[8] Markus Reiher, Nathan Wiebe, Krysta M Svore, Dave Wecker și Matthias Troyer. „Elucidarea mecanismelor de reacție pe calculatoarele cuantice”. Proceedings of the National Academy of Sciences 114, 7555–7560 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1073 / pnas.1619152114

[9] Yudong Cao, Jhonathan Romero și Alán Aspuru-Guzik. „Potențialul calculului cuantic pentru descoperirea medicamentelor”. Jurnalul IBM de Cercetare și Dezvoltare 62, 6–1 (2018).
https://​/​doi.org/​10.1147/​JRD.2018.2888987

[10] Roman Orus, Samuel Mugel și Enrique Lizaso. „Calcul cuantic pentru finanțe: Privire de ansamblu și perspective”. Recenzii în Physics 4, 100028 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.revip.2019.100028

[11] Pierre-Luc Dallaire-Demers, Jonathan Romero, Libor Veis, Sukin Sim și Alán Aspuru-Guzik. „Ansatz de circuit cu adâncime mică pentru pregătirea stărilor fermionice corelate pe un computer cuantic”. Quantum Science and Technology 4, 045005 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 2058-9565 / ab3951

[12] Elizabeth Fons, Paula Dawson, Jeffrey Yau, Xiao-jun Zeng și John Keane. „Un nou sistem dinamic de alocare a activelor care folosește modele Markov ascunse de caracteristică pentru investiții beta inteligente”. Expert Systems with Applications 163, 113720 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.eswa.2020.113720

[13] PV Chandrika, K Visalakshmi și K Sakthi Srinivasan. „Aplicarea modelelor Markov ascunse în tranzacționarea bursiere”. În 2020, a șasea Conferință internațională privind sistemele avansate de calcul și comunicații (ICACCS). Paginile 6–1144. (1147).
https://​/​doi.org/​10.1109/​ICACCS48705.2020.9074387

[14] Dima Suleiman, Arafat Awajan și Wael Al Etaiwi. „Utilizarea modelului Markov ascuns în procesarea limbii arabe naturale: un sondaj”. Procedia informatică 113, 240–247 (2017).
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.procs.2017.08.363

[15] Hariz Zakka Muhammad, Muhammad Nasrun, Casi Setianingsih și Muhammad Ary Murti. „Recunoașterea vorbirii pentru traducătorul din engleză în indoneziană folosind modelul Markov ascuns”. În 2018 Conferința internațională privind semnalele și sistemele (ICSigSys). Paginile 255–260. IEEE (2018).
https://​/​doi.org/​10.1109/​ICSIGSYS.2018.8372768

[16] Erik LL Sonnhammer, Gunnar Von Heijne, Anders Krogh și colab. „Un model Markov ascuns pentru prezicerea elicelor transmembranare în secvențele de proteine”. În LSMB 1998. Paginile 175–182. (1998). url: https://​/​cdn.aaai.org/​ISMB/​1998/​ISMB98-021.pdf.
https://​/​cdn.aaai.org/​ISMB/​1998/​ISMB98-021.pdf

[17] Gary Xie și Jeanne M Fair. „Modelul Markov ascuns: o abordare reprezentativă unică cea mai scurtă pentru a detecta toxinele proteice, factorii de virulență și genele de rezistență la antibiotice”. BMC Research Notes 14, 1–5 (2021).
https://​/​doi.org/​10.21203/​rs.3.rs-185430/​v1

[18] Sean R Eddy. „Ce este un model Markov ascuns?”. Nature biotechnology 22, 1315–1316 (2004).
https://​/​doi.org/​10.1038/​nbt1004-1315

[19] Paul M Baggenstoss. „Un algoritm baum-welch modificat pentru modele markov ascunse cu mai multe spații de observare”. Tranzacții IEEE privind procesarea vorbirii și audio 9, 411–416 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1109 / 89.917686

[20] Aleksandar Kavcic și Jose MF Moura. „Algoritmul Viterbi și memoria de zgomot Markov”. IEEE Transactions on information theory 46, 291–301 (2000).
https: / / doi.org/ 10.1109 / 18.817531

[21] Todd K Moon. „Algoritmul de maximizare a așteptărilor”. Revista de procesare a semnalului IEEE 13, 47–60 (1996).
https: / / doi.org/ 10.1109 / 79.543975

[22] Alex Monras, Almut Beige și Karoline Wiesner. „Modele Markov cuantice ascunse și citirea neadaptativă a stărilor cu mai multe corpuri” (2010). arXiv:1002.2337.
arXiv: 1002.2337

[23] Siddarth Srinivasan, Geoff Gordon și Byron Boots. „Învățarea modelelor markov cuantice ascunse”. În Amos Storkey și Fernando Perez-Cruz, editori, Proceedings of the Twenty-First International Conference on Artificial Intelligence and Statistics. Volumul 84 din Proceedings of Machine Learning Research, paginile 1979–1987. PMLR (2018). url: https://​/​proceedings.mlr.press/​v84/​srinivasan18a.html.
https://​/​proceedings.mlr.press/​v84/​srinivasan18a.html

[24] Herbert Jaeger. „Modele de operator observabil pentru serii temporale stocastice discrete”. Calcul neuronal 12, 1371–1398 (2000).
https: / / doi.org/ 10.1162 / 089976600300015411

[25] Qing Liu, Thomas J. Elliott, Felix C. Binder, Carlo Di Franco și Mile Gu. „Modelare stocastică optimă cu dinamică cuantică unitară”. Fiz. Rev. A 99, 062110 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.062110

[26] Thomas J Elliott. „Comprimarea memoriei și eficiența termică a implementărilor cuantice ale modelelor markov ascunse nedeterministe”. Physical Review A 103, 052615 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.103.052615

[27] Sandesh Adhikary, Siddarth Srinivasan, Geoff Gordon și Byron Boots. „Expresivitatea și învățarea modelelor cuantice Markov ascunse”. La Conferința Internațională de Inteligență Artificială și Statistică. Paginile 4151–4161. (2020). url: http://​/​proceedings.mlr.press/​v108/​adhikary20a/​adhikary20a.pdf.
http://​/​proceedings.mlr.press/​v108/​adhikary20a/​adhikary20a.pdf

[28] Bo Jiang și Yu-Hong Dai. „Un cadru de scheme de actualizare pentru păstrarea constrângerilor pentru optimizare pe colectorul Stiefel”. Programare matematică 153, 535–575 (2015).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s10107-014-0816-7

[29] Vanio Markov, Vladimir Rastunkov, Amol Deshmukh, Daniel Fry și Charlee Stefanski. „Implementarea și învățarea modelelor markov cuantice ascunse” (2022). arXiv:2212.03796v2.
arXiv: 2212.03796v2

[30] Xiantao Li și Chunhao Wang. „Simularea sistemelor cuantice deschise markoviene folosind expansiunea în serie de ordin superior” (2022). arXiv:2212.02051v2.
arXiv: 2212.02051v2

[31] Yoshitaka Tanimura. „Liouville stocastică, Langevin, Fokker-Planck și abordări ale ecuației principale ale sistemelor disipative cuantice”. Journal of the Physical Society of Japan 75, 082001 (2006).
https: / / doi.org/ 10.1143 / JPSJ.75.082001

[32] Akihito Ishizaki și Graham R Fleming. „Tratamentul unificat al dinamicii saltului cuantic coerent și incoerent în transferul electronic de energie: abordarea ecuației ierarhice reduse”. Jurnalul de fizică chimică 130 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.3155372

[33] Jinshuang Jin, Xiao Zheng și YiJing Yan. „Dinamica exactă a sistemelor electronice disipative și a transportului cuantic: abordarea ecuațiilor ierarhice ale mișcării”. Jurnalul de fizică chimică 128 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.2938087

[34] Lewis A Clark, Wei Huang, Thomas M Barlow și Almut Beige. „Modele markov cuantice ascunse și sisteme cuantice deschise cu feedback instantaneu”. În ISCS 2014 Simpozion interdisciplinar privind sistemele complexe. Paginile 143–151. (2015).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-319-10759-2$_$16

[35] Xin-Qi Li, JunYan Luo, Yong-Gang Yang, Ping Cui și YiJing Yan. „Abordarea ecuației master cuantice a transportului cuantic prin sisteme mezoscopice”. Physical Review B 71, 205304 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.71.205304

[36] Michael J Kastoryano, Fernando GSL Brandão, András Gilyén și colab. „Pregătirea stării termice cuantice” (2023). arXiv:2303.18224.
arXiv: 2303.18224

[37] Ming-Jie Zhao și Herbert Jaeger. „Modele de operator observabile în norme”. Calcul neuronal 22, 1927–1959 (2010).
https://​/​doi.org/​10.1162/​neco.2010.03-09-983

[38] Sandesh Adhikary, Siddarth Srinivasan și Byron Boots. „Învățarea modelelor grafice cuantice folosind coborârea gradientului constrâns pe varietatea Stiefel” (2019). arXiv:2101.08448v1.
arXiv: 2101.08448v1

[39] MS Vijayabaskar David R. Westhead, editor. „Modele markov ascunse”. Volumul 2, pagina 18. Humana New York, NY. (2017).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-1-4939-6753-7

Citat de

Acest Lucru este publicat în Quantum sub Creative Commons Atribuire 4.0 internațională (CC BY 4.0) licență. Drepturile de autor rămân la deținătorii de drepturi de autor originale, precum autorii sau instituțiile lor.

Timestamp-ul:

Mai mult de la Jurnalul cuantic