Nov algoritem kvantnega strojnega učenja: razdeljen skriti kvantni Markov model po navdihu kvantne pogojne glavne enačbe

Nov algoritem kvantnega strojnega učenja: razdeljen skriti kvantni Markov model po navdihu kvantne pogojne glavne enačbe

Časovni žig: 24. januar 2024 7
Izvorno vozlišče: 3083772

Xiao-Yu Li1, Qin-Sheng Zhu2, Yong Hu2, Hao Wu2,3, Guo-Wu Yang4, Lian-Hui Yu2in Geng Chen4

1Šola za informacijski in programski inženiring, Univerza za elektronsko znanost in tehnologijo Kitajske, Cheng Du, 610054, Kitajska
2Fakulteta za fiziko, Univerza za elektronsko znanost in tehnologijo Kitajske, Cheng Du, 610054, Kitajska
3Institute of Electronics and Information Industry Technology of Kash, Kash, 844000, Kitajska
4Šola za računalništvo in tehniko, Univerza za elektronske znanosti in tehnologijo Kitajske, Cheng Du, 610054, Kitajska

Se vam zdi ta članek zanimiv ali želite razpravljati? Zaslišite ali pustite komentar na SciRate.

Minimalizem

Skriti kvantni Markovljev model (HQMM) ima velik potencial za analizo časovnih vrst podatkov in preučevanje stohastičnih procesov v kvantni domeni kot možnost nadgradnje s potencialnimi prednostmi pred klasičnimi Markovljevimi modeli. V tem prispevku smo uvedli razdeljeni HQMM (SHQMM) za izvajanje skritega kvantnega Markovovega procesa z uporabo pogojne glavne enačbe s pogojem finega ravnotežja za prikaz medsebojnih povezav med notranjimi stanji kvantnega sistema. Eksperimentalni rezultati kažejo, da naš model prekaša prejšnje modele v smislu obsega uporabe in robustnosti. Poleg tega vzpostavimo nov učni algoritem za reševanje parametrov v HQMM s povezavo kvantne pogojne glavne enačbe s HQMM. Nazadnje, naša študija zagotavlja jasne dokaze, da se kvantni transportni sistem lahko šteje za fizično predstavitev HQMM. SHQMM s spremljajočimi algoritmi predstavlja novo metodo za analizo kvantnih sistemov in časovnih vrst, ki temeljijo na fizični izvedbi.

Predstavljena slika: Razširjen računski diagram $ρ^n(t)$ za niz zaporedij $y_0$, $y_1$ · · · , $y_T$.

Priljubljen povzetek

V tem delu, izhajajoč iz okvira fizikalne teorije odprtega sistema in z uporabo glavne enačbe kvantnega stanja, ki izhaja iz uvedbe podrobnih pogojev ravnovesja, teoretično ugotavljamo povezavo med glavno enačbo kvantnega stanja in kvantnim skritim modelom Markov. Hkrati predlagamo nov Razcepni kvantni Markov model (SHQMM). Navdušujoče je, da eksperimentalni rezultati ne samo potrjujejo superiornosti kvantnih algoritmov nad klasičnimi algoritmi, ampak tudi dokazujejo, da naš model prekaša prejšnje HQMM in ponuja široko uporabo pri preučevanju notranjih stanj kvantnih sistemov.

► BibTeX podatki

► Reference

[1] Juan I. Cirac in Peter Zoller. "Kvantni izračuni s hladno ujetimi ioni". Physical review letters 74, 4091 (1995).
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevlett.74.4091

[2] Emanuel Knill, Raymond Laflamme in Gerald J Milburn. "Shema za učinkovito kvantno računanje z linearno optiko". narava 409, 46–52 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1038 / 35051009

[3] Jacob Biamonte, Peter Wittek, Nicola Pancotti, Patrick Rebentrost, Nathan Wiebe in Seth Lloyd. "Kvantno strojno učenje". Narava 549, 195–202 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature23474

[4] M Cerezo, Guillaume Verdon, Hsin-Yuan Huang, Lukasz Cincio in Patrick J Coles. “Izzivi in ​​priložnosti v kvantnem strojnem učenju”. 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. »Hrupni kvantni (nisq) algoritmi vmesne lestvice (2021)« (2021). arXiv:2101.08448v1.
arXiv: 2101.08448v1

[6] Alán Aspuru-Guzik, Roland Lindh in Markus Reiher. “Simulacija materije (r) evolucija”. ACS centralna znanost 4, 144–152 (2018).
https://​/​doi.org/​10.1021/​acscentsci.7b00550

[7] Iulia M Georgescu, Sahel Ashhab in Franco Nori. "Kvantna simulacija". 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 in Matthias Troyer. "Razjasnitev reakcijskih mehanizmov na kvantnih računalnikih". Zbornik Nacionalne akademije znanosti 114, 7555–7560 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1073 / pnas.1619152114

[9] Yudong Cao, Jhonathan Romero in Alán Aspuru-Guzik. "Potencial kvantnega računalništva za odkrivanje zdravil". IBM Journal of Research and Development 62, 6–1 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1147 / JRD.2018.2888987

[10] Roman Orus, Samuel Mugel in Enrique Lizaso. "Kvantno računalništvo za finance: pregled in možnosti". Ocene iz fizike 4, 100028 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.revip.2019.100028

[11] Pierre-Luc Dallaire-Demers, Jonathan Romero, Libor Veis, Sukin Sim in Alán Aspuru-Guzik. "Ansatz vezja nizke globine za pripravo koreliranih fermionskih stanj na kvantnem računalniku". Kvantna znanost in tehnologija 4, 045005 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 2058-9565 / ab3951

[12] Elizabeth Fons, Paula Dawson, Jeffrey Yau, Xiao-jun Zeng in John Keane. »Nov dinamični sistem dodeljevanja sredstev, ki uporablja skrite Markovljeve modele značilnosti za pametno beta vlaganje«. Ekspertni sistemi z aplikacijami 163, 113720 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.eswa.2020.113720

[13] PV Chandrika, K Visalakshmi in K Sakthi Srinivasan. "Uporaba skritih Markovljevih modelov pri borznem trgovanju". Leta 2020 6. mednarodna konferenca o naprednih računalniških in komunikacijskih sistemih (ICACCS). Strani 1144–1147. (2020).
https://​/​doi.org/​10.1109/​ICACCS48705.2020.9074387

[14] Dima Suleiman, Arafat Awajan in Wael Al Etaiwi. "Uporaba skritega Markovljevega modela pri obdelavi naravnega arabskega jezika: raziskava". Procedia računalništvo 113, 240–247 (2017).
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.procs.2017.08.363

[15] Hariz Zakka Muhammad, Muhammad Nasrun, Casi Setianingsih in Muhammad Ary Murti. »Prepoznavanje govora za prevajalnik iz angleščine v indonezijščino z uporabo skritega modela Markov«. Leta 2018 Mednarodna konferenca o signalih in sistemih (ICSigSys). Strani 255–260. IEEE (2018).
https://​/​doi.org/​10.1109/​ICSIGSYS.2018.8372768

[16] Erik LL Sonnhammer, Gunnar Von Heijne, Anders Krogh, et al. "Skriti Markovljev model za napovedovanje transmembranskih vijačnic v proteinskih sekvencah". V LSMB 1998. Strani 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 in Jeanne M Fair. "Skriti Markovljev model: najkrajši edinstven reprezentativni pristop za odkrivanje proteinskih toksinov, faktorjev virulence in genov za odpornost na antibiotike". BMC Research Notes 14, 1–5 (2021).
https://​/​doi.org/​10.21203/​rs.3.rs-185430/​v1

[18] Sean R Eddy. "Kaj je skriti markov model?". Naravna biotehnologija 22, 1315–1316 (2004).
https://​/​doi.org/​10.1038/​nbt1004-1315

[19] Paul M Baggenstoss. “Modificiran baum-welchov algoritem za skrite markovske modele z več opazovalnimi prostori”. IEEE Transactions on voice and audio processing 9, 411–416 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1109 / 89.917686

[20] Aleksandar Kavčič in Jose MF Moura. "Viterbijev algoritem in pomnilnik markovskega šuma". IEEE Transactions on information theory 46, 291–301 (2000).
https: / / doi.org/ 10.1109 / 18.817531

[21] Todd K Moon. "Algoritem pričakovanja-maksimizacije". Revija za obdelavo signalov IEEE 13, 47–60 (1996).
https: / / doi.org/ 10.1109 / 79.543975

[22] Alex Monras, Almut Beige in Karoline Wiesner. »Skriti kvantni Markovljevi modeli in neprilagodljivo branje stanj več teles« (2010). arXiv:1002.2337.
arXiv: 1002.2337

[23] Siddarth Srinivasan, Geoff Gordon in Byron Boots. “Učenje skritih kvantnih markovskih modelov”. V Amos Storkey in Fernando Perez-Cruz, urednika, Zbornik enaindvajsete mednarodne konference o umetni inteligenci in statistiki. Zvezek 84 Zbornika raziskav strojnega učenja, strani 1979–1987. PMLR (2018). url: https://​/​proceedings.mlr.press/​v84/​srinivasan18a.html.
https://​/​proceedings.mlr.press/​v84/​srinivasan18a.html

[24] Herbert Jaeger. “Modeli opazljivih operaterjev za diskretne stohastične časovne vrste”. Nevronsko računanje 12, 1371–1398 (2000).
https: / / doi.org/ 10.1162 / 089976600300015411

[25] Qing Liu, Thomas J. Elliott, Felix C. Binder, Carlo Di Franco in Mile Gu. “Optimalno stohastično modeliranje z enotno kvantno dinamiko”. Phys. Rev. A 99, 062110 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.062110

[26] Thomas J Elliott. "Kompresija pomnilnika in toplotna učinkovitost kvantnih izvedb nedeterminističnih skritih markovskih modelov". Physical Review A 103, 052615 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.103.052615

[27] Sandesh Adhikary, Siddarth Srinivasan, Geoff Gordon in Byron Boots. “Izraznost in učenje skritih kvantnih markovskih modelov”. Na mednarodni konferenci o umetni inteligenci in statistiki. Strani 4151–4161. (2020). url: http://​/​proceedings.mlr.press/​v108/​adhikary20a/​adhikary20a.pdf.
http://​/​proceedings.mlr.press/​v108/​adhikary20a/​adhikary20a.pdf

[28] Bo Jiang in Yu-Hong Dai. "Ogrodje posodobitvenih shem za ohranjanje omejitev za optimizacijo na Stiefelovem razdelilniku". Matematično programiranje 153, 535–575 (2015).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s10107-014-0816-7

[29] Vanio Markov, Vladimir Rastunkov, Amol Deshmukh, Daniel Fry in Charlee Stefanski. »Implementacija in učenje kvantnih skritih markovskih modelov« (2022). arXiv:2212.03796v2.
arXiv: 2212.03796v2

[30] Xiantao Li in Chunhao Wang. »Simulacija markovskih odprtih kvantnih sistemov z uporabo ekspanzije serije višjega reda« (2022). arXiv:2212.02051v2.
arXiv: 2212.02051v2

[31] Jošitaka Tanimura. »Stohastični pristopi Liouville, Langevin, Fokker–Planck in glavna enačba k kvantnim disipativnim sistemom«. Journal of the Physical Society of Japan 75, 082001 (2006).
https: / / doi.org/ 10.1143 / JPSJ.75.082001

[32] Akihito Ishizaki in Graham R. Fleming. "Enotna obravnava kvantne koherentne in nekoherentne dinamike skokov pri elektronskem prenosu energije: pristop z zmanjšano hierarhično enačbo". Journal of chemical physics 130 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.3155372

[33] Jinshuang Jin, Xiao Zheng in YiJing Yan. “Natančna dinamika disipativnih elektronskih sistemov in kvantni transport: pristop hierarhičnih enačb gibanja”. Revija za kemijsko fiziko 128 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.2938087

[34] Lewis A Clark, Wei Huang, Thomas M Barlow in Almut Beige. “Skriti kvantni markovski modeli in odprti kvantni sistemi s takojšnjo povratno informacijo”. Na interdisciplinarnem simpoziju ISCS 2014 o kompleksnih sistemih. Strani 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 in YiJing Yan. "Pristop kvantne glavne enačbe k kvantnemu transportu skozi mezoskopske sisteme". Physical Review B 71, 205304 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.71.205304

[36] Michael J Kastoryano, Fernando GSL Brandão, András Gilyén, et al. “Priprava kvantnega termičnega stanja” (2023). arXiv:2303.18224.
arXiv: 2303.18224

[37] Ming-Jie Zhao in Herbert Jaeger. “Operatorski modeli, ki jih je mogoče opazovati po normi”. Nevronsko računanje 22, 1927–1959 (2010).
https://​/​doi.org/​10.1162/​neco.2010.03-09-983

[38] Sandesh Adhikary, Siddarth Srinivasan in Byron Boots. »Učenje kvantnih grafičnih modelov z uporabo omejenega gradientnega spuščanja na stieflovem razdelilniku« (2019). arXiv:2101.08448v1.
arXiv: 2101.08448v1

[39] MS Vijayabaskar David R. Westhead, urednik. "Skriti markovski modeli". Zvezek 2, stran 18. Humana New York, NY. (2017).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-1-4939-6753-7

Navedel

Ta dokument je objavljen v Quantumu pod Priznanje avtorstva Creative Commons 4.0 International (CC BY 4.0) licenca. Avtorske pravice ostajajo pri izvirnih imetnikih avtorskih pravic, kot so avtorji ali njihove ustanove.

Časovni žig:

Več od Quantum Journal