Новый алгоритм квантового машинного обучения: разделенная скрытая квантовая марковская модель, основанная на квантовом условном главном уравнении

Новый алгоритм квантового машинного обучения: разделенная скрытая квантовая марковская модель, основанная на квантовом условном главном уравнении

Отметка времени: 24 января 2024 г., 7:38
Исходный узел: 3083772

Сяо-Ю Ли1, Цинь-Шэн Чжу2, Юн Ху2, Хао Ву2,3, Го-Ву Ян4, Лянь-Хуэй Юй2и Гэн Чен4

1Школа информатики и разработки программного обеспечения, Университет электронных наук и технологий Китая, Ченг Ду, 610054, Китай
2Факультет физики Китайского университета электронных наук и технологий, Ченг Ду, 610054, Китай
3Кашский институт электроники и информационных технологий, Каш, 844000, Китай
4Школа компьютерных наук и инженерии, Университет электронных наук и технологий Китая, Ченг Ду, 610054, Китай

Находите эту статью интересной или хотите обсудить? Scite или оставить комментарий на SciRate.

Абстрактные

Скрытая квантовая марковская модель (HQMM) обладает значительным потенциалом для анализа данных временных рядов и изучения случайных процессов в квантовой области в качестве варианта модернизации с потенциальными преимуществами по сравнению с классическими марковскими моделями. В этой статье мы представили разделенную HQMM (SHQMM) для реализации скрытого квантового марковского процесса, используя условное главное уравнение с условием тонкого баланса для демонстрации взаимосвязей между внутренними состояниями квантовой системы. Результаты экспериментов показывают, что наша модель превосходит предыдущие модели с точки зрения сферы применения и надежности. Кроме того, мы создаем новый алгоритм обучения для решения параметров в HQMM, связывая квантовое условное главное уравнение с HQMM. Наконец, наше исследование дает четкие доказательства того, что квантовую транспортную систему можно считать физическим представлением HQMM. SHQMM с сопутствующими алгоритмами представляет собой новый метод анализа квантовых систем и временных рядов, основанный на физической реализации.

Рекомендованное изображение: Расширенная схема расчета $ρ^n(t)$ для набора последовательностей $y_0$, $y_1$ · · · , $y_T$.

Популярное резюме

В этой работе, исходя из структуры физической теории открытой системы и используя главное уравнение квантового состояния, полученное в результате введения подробных условий баланса, мы теоретически устанавливаем связь между основным уравнением квантового состояния и квантовой скрытой марковской моделью. Одновременно мы предлагаем новую квантовую марковскую модель расщепления (SHQMM). Удивительно, но экспериментальные результаты не только подтверждают превосходство квантовых алгоритмов над классическими алгоритмами, но также демонстрируют, что наша модель превосходит предыдущие HQMM, предлагая широкие применения в изучении внутренних состояний квантовых систем.

► Данные BibTeX

► Рекомендации

[1] Хуан I Сирак и Петер Золлер. «Квантовые вычисления с холодными ионами в ловушке». Письма о физическом осмотре 74, 4091 (1995).
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevlett.74.4091

[2] Эмануэль Нилл, Рэймонд Лафламм и Джеральд Дж. Милберн. «Схема эффективных квантовых вычислений с помощью линейной оптики». природа 409, 46–52 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1038 / 35051009

[3] Джейкоб Биамонте, Питер Виттек, Никола Панкотти, Патрик Ребентрост, Натан Виб и Сет Ллойд. «Квантовое машинное обучение». Природа 549, 195–202 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature23474

[4] М. Сересо, Гийом Вердон, Синь-Юань Хуан, Лукаш Синсио и Патрик Дж. Коулз. «Проблемы и возможности квантового машинного обучения». Nature Computational Science 2, 567–576 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s43588-022-00311-3

[5] Кишор Бхарти, Альба Сервера-Лиерта, Ти Ха Кьяу, Тобиас Хауг, Самнер Альперин-Леа, Абхинав Ананд, Маттиас Дегрооте, Германни Хеймонен, Якоб С. Коттманн, Тим Менке и др. «Шумные квантовые алгоритмы промежуточного масштаба (nisq) (2021 г.)» (2021 г.). arXiv:2101.08448v1.
Arxiv: 2101.08448v1

[6] Алан Аспуру-Гузик, Роланд Линд и Маркус Райхер. «Моделирование (р)эволюции материи». Центральная наука АСУ 4, 144–152 (2018).
https://​/​doi.org/​10.1021/​acscentsci.7b00550

[7] Юлия Георгеску, Сахель Ашхаб и Франко Нори. «Квантовое моделирование». Обзоры современной физики 86, 153 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.86.153

[8] Маркус Рейхер, Натан Вибе, Криста М. Своре, Дэйв Векер и Матиас Тройер. «Выяснение механизмов реакции на квантовых компьютерах». Труды Национальной академии наук 114, 7555–7560 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1073 / pnas.1619152114

[9] Юдонг Цао, Джонатан Ромеро и Алан Аспуру-Гузик. «Потенциал квантовых вычислений для открытия лекарств». Журнал исследований и разработок IBM 62, 6–1 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1147 / JRD.2018.2888987

[10] Роман Орус, Самуэль Мюгель и Энрике Лизасо. «Квантовые вычисления для финансов: обзор и перспективы». Обзоры по физике 4, 100028 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.revip.2019.100028

[11] Пьер-Люк Даллер-Демерс, Джонатан Ромеро, Либор Вейс, Сукин Сим и Алан Аспуру-Гузик. «Схемный анзац малой глубины для приготовления коррелированных фермионных состояний на квантовом компьютере». Квантовая наука и технологии 4, 045005 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 2058-9565 / ab3951

[12] Элизабет Фонс, Паула Доусон, Джеффри Яу, Сяо-цзюнь Цзэн и Джон Кин. «Новая система динамического распределения активов с использованием скрытых марковских моделей значимости функций для интеллектуального бета-инвестирования». Экспертные системы с приложениями 163, 113720 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.eswa.2020.113720

[13] П.В. Чандрика, К. Висалакшми и К. Шакти Шринивасан. «Применение скрытых марковских моделей в биржевой торговле». В 2020 году состоится 6-я Международная конференция по перспективным вычислительным и коммуникационным системам (ICACCS). Страницы 1144–1147. (2020).
https://doi.org/10.1109/ICACCS48705.2020.9074387

[14] Дима Сулейман, Арафат Аваджан и Ваэль аль-Этайви. «Использование скрытой модели Маркова в обработке естественного арабского языка: обзор». Procedia Computer Science 113, 240–247 (2017).
https://doi.org/10.1016/j.procs.2017.08.363

[15] Хариз Закка Мухаммад, Мухаммад Насрун, Каси Сетианингсих и Мухаммад Ари Мурти. «Распознавание речи англо-индонезийского переводчика с использованием скрытой модели Маркова». В 2018 году Международная конференция по сигналам и системам (ICSigSys). Страницы 255–260. ИИЭР (2018).
https://doi.org/10.1109/ICSIGSYS.2018.8372768

[16] Эрик Л.Л. Зоннхаммер, Гуннар фон Хейне, Андерс Крог и др. «Скрытая модель Маркова для предсказания трансмембранных спиралей в белковых последовательностях». В LSMB 1998. Страницы 175–182. (1998). URL: https://cdn.aaai.org/ISMB/1998/ISMB98-021.pdf.
https://cdn.aaai.org/ISMB/1998/ISMB98-021.pdf

[17] Гэри Се и Жанна М. Фэйр. «Скрытая марковская модель: кратчайший уникальный репрезентативный подход к обнаружению белковых токсинов, факторов вирулентности и генов устойчивости к антибиотикам». Исследовательские заметки BMC 14, 1–5 (2021 г.).
https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-185430/v1

[18] Шон Р. Эдди. «Что такое скрытая модель Маркова?». Природная биотехнология 22, 1315–1316 (2004).
https://doi.org/10.1038/nbt1004-1315

[19] Пол М. Баггенстосс. «Модифицированный алгоритм Баума-Велча для скрытых марковских моделей с несколькими пространствами наблюдения». IEEE Transactions по обработке речи и звука 9, 411–416 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1109 / 89.917686

[20] Александр Кавчич и Хосе МФ Моура. «Алгоритм Витерби и марковская шумовая память». Транзакции IEEE по теории информации 46, 291–301 (2000).
https: / / doi.org/ 10.1109 / 18.817531

[21] Тодд К. Мун. «Алгоритм максимизации ожидания». Журнал обработки сигналов IEEE 13, 47–60 (1996).
https: / / doi.org/ 10.1109 / 79.543975

[22] Алекс Монрас, Альмут Беж и Каролин Виснер. «Скрытые квантовые марковские модели и неадаптивное считывание состояний многих тел» (2010). arXiv: 1002.2337.
Arxiv: 1002.2337

[23] Сиддарт Шринивасан, Джефф Гордон и Байрон Бутс. «Изучение скрытых квантовых марковских моделей». Амос Сторки и Фернандо Перес-Круз, редакторы Трудов двадцать первой международной конференции по искусственному интеллекту и статистике. Том 84 Трудов исследований машинного обучения, страницы 1979–1987. ПМЛР (2018). URL: https://proceedings.mlr.press/v84/srinivasan18a.html.
https://proceedings.mlr.press/v84/srinivasan18a.html

[24] Герберт Джегер. «Наблюдаемые операторные модели для дискретных стохастических временных рядов». Нейронные вычисления 12, 1371–1398 (2000).
https: / / doi.org/ 10.1162 / 089976600300015411

[25] Цин Лю, Томас Дж. Эллиотт, Феликс К. Биндер, Карло Ди Франко и Майл Гу. «Оптимальное стохастическое моделирование с унитарной квантовой динамикой». Физ. Ред. А 99, 062110 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.062110

[26] Томас Дж Эллиотт. «Сжатие памяти и термическая эффективность квантовых реализаций недетерминированных скрытых марковских моделей». Физическое обозрение А 103, 052615 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.103.052615

[27] Сандеш Адхикари, Сиддарт Шринивасан, Джефф Гордон и Байрон Бутс. «Выразительность и обучение скрытых квантовых марковских моделей». На Международной конференции по искусственному интеллекту и статистике. Страницы 4151–4161. (2020). URL: http://proceedings.mlr.press/v108/adhikary20a/adhikary20a.pdf.
http://proceedings.mlr.press/v108/adhikary20a/adhikary20a.pdf

[28] Бо Цзян и Ю-Хун Дай. «Схема обновления, сохраняющая ограничения, для оптимизации на многообразии Штифеля». Математическое программирование 153, 535–575 (2015).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s10107-014-0816-7

[29] Ванио Марков, Владимир Растунков, Амол Дешмук, Дэниел Фрай и Чарли Стефански. «Внедрение и изучение квантовых скрытых марковских моделей» (2022 г.). arXiv:2212.03796v2.
Arxiv: 2212.03796v2

[30] Сяньтао Ли и Чунхао Ван. «Моделирование марковских открытых квантовых систем с использованием разложения в ряд более высокого порядка» (2022). arXiv:2212.02051v2.
Arxiv: 2212.02051v2

[31] Ёситака Танимура. «Стохастические подходы Лиувилля, Ланжевена, Фоккера-Планка и основные уравнения к квантовым диссипативным системам». Журнал Физического общества Японии 75, 082001 (2006).
https: / / doi.org/ 10.1143 / JPSJ.75.082001

[32] Акихито Ишизаки и Грэм Р. Флеминг. «Единая трактовка квантовой когерентной и некогерентной прыжковой динамики при передаче электронной энергии: подход с использованием уравнений уменьшенной иерархии». Журнал химической физики 130 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.3155372

[33] Цзиньшуан Цзинь, Сяо Чжэн и ИЦзин Янь. «Точная динамика диссипативных электронных систем и квантовый транспорт: подход иерархических уравнений движения». Журнал химической физики 128 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.2938087

[34] Льюис А. Кларк, Вэй Хуан, Томас М. Барлоу и Альмут Беж. «Скрытые квантовые марковские модели и открытые квантовые системы с мгновенной обратной связью». На междисциплинарном симпозиуме ISCS 2014 по сложным системам. Страницы 143–151. (2015).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-319-10759-2$_$16

[35] Синь-Ци Ли, ЦзюньЯнь Ло, Юн-Ган Ян, Пин Цуй и ИЦзин Янь. «Подход квантового главного уравнения к квантовому транспорту через мезоскопические системы». Physical Review B 71, 205304 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.71.205304

[36] Майкл Дж. Касторияно, Фернандо ГСЛ Брандао, Андраш Гильен и др. «Приготовление квантово-теплового состояния» (2023). arXiv: 2303.18224.
Arxiv: 2303.18224

[37] Мин-Цзе Чжао и Герберт Джагер. «Нормально наблюдаемые операторные модели». Нейронные вычисления 22, 1927–1959 (2010).
https://​/​doi.org/​10.1162/​neco.2010.03-09-983

[38] Сандеш Адхикари, Сиддарт Шринивасан и Байрон Бутс. «Изучение квантовых графических моделей с использованием ограниченного градиентного спуска на многообразии Штифеля» (2019). arXiv:2101.08448v1.
Arxiv: 2101.08448v1

[39] MS Виджаябаскар Дэвид Р. Вестхед, редактор. «Скрытые марковские модели». Том 2, стр. 18. Humana Нью-Йорк, Нью-Йорк. (2017).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-1-4939-6753-7

Цитируется

Эта статья опубликована в Quantum под Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) лицензия. Авторское право остается за первоначальными правообладателями, такими как авторы или их учреждения.

Отметка времени:

Больше от Квантовый журнал