Yeni bir kuantum makine öğrenimi algoritması: kuantum koşullu ana denklemden ilham alan bölünmüş gizli kuantum Markov modeli

Yeni bir kuantum makine öğrenimi algoritması: kuantum koşullu ana denklemden ilham alan bölünmüş gizli kuantum Markov modeli

Zaman Damgası: 24 Ocak 2024 7:38
Kaynak Düğüm: 3083772

Xiao-Yu Li1, Qin-Sheng Zhu2, Yong Hu2, Hao Wu2,3, Guo-Wu Yang4, Lian-Hui Yu2ve Geng Chen4

1Bilgi ve Yazılım Mühendisliği Okulu, Çin Elektronik Bilimi ve Teknolojisi Üniversitesi, Cheng Du, 610054, Çin
2Fizik Okulu, Çin Elektronik Bilimi ve Teknolojisi Üniversitesi, Cheng Du, 610054, Çin
3Kash Elektronik ve Bilgi Endüstrisi Teknolojisi Enstitüsü, Kash, 844000, Çin
4Bilgisayar Bilimi ve Mühendisliği Okulu, Çin Elektronik Bilimi ve Teknolojisi Üniversitesi, Cheng Du, 610054, Çin

Bu makaleyi ilginç mi buldunuz yoksa tartışmak mı istiyorsunuz? SciRate'e çığlık at veya yorum bırak.

Özet

Gizli Kuantum Markov Modeli (HQMM), klasik Markov modellerine göre potansiyel avantajlara sahip bir yükseltme seçeneği olarak zaman serisi verilerini analiz etmek ve kuantum alanındaki stokastik süreçleri incelemek için önemli bir potansiyele sahiptir. Bu yazıda, gizli kuantum Markov sürecini uygulamak için bölünmüş HQMM'yi (SHQMM) tanıttık ve kuantum sisteminin iç durumları arasındaki bağlantıları göstermek için iyi bir denge koşuluyla koşullu ana denklemi kullandık. Deneysel sonuçlar, modelimizin uygulama kapsamı ve sağlamlık açısından önceki modellerden daha iyi performans gösterdiğini göstermektedir. Ek olarak, kuantum koşullu ana denklemi HQMM ile ilişkilendirerek HQMM'deki parametreleri çözmek için yeni bir öğrenme algoritması oluşturuyoruz. Son olarak, çalışmamız kuantum taşıma sisteminin HQMM'nin fiziksel bir temsili olarak kabul edilebileceğine dair açık kanıtlar sunmaktadır. Eşlik eden algoritmalarla birlikte SHQMM, fiziksel uygulamaya dayalı kuantum sistemlerini ve zaman serilerini analiz etmek için yeni bir yöntem sunar.

Öne çıkan görsel: $y_0$, $y_1$ · · · , $y_T$ dizileri için $ρ^n(t)$'nin genişletilmiş hesaplama şeması.

Popüler özet

Bu çalışmada, açık sistem fiziksel teorisi çerçevesinden başlayarak ve ayrıntılı denge koşullarının getirilmesinden türetilen kuantum koşulu ana denklemini kullanarak, kuantum koşulu ana denklemi ile kuantum gizli Markov modeli arasındaki bağlantıyı teorik olarak kuruyoruz. Eş zamanlı olarak yeni bir Bölünen Kuantum Markov Modeli (SHQMM) öneriyoruz. Heyecan verici bir şekilde, deneysel sonuçlar yalnızca kuantum algoritmalarının klasik algoritmalara göre üstünlüğünü doğrulamakla kalmıyor, aynı zamanda modelimizin önceki HQMM'lerden daha iyi performans gösterdiğini ve kuantum sistemlerinin iç durumlarının incelenmesinde geniş uygulamalar sunduğunu da gösteriyor.

► BibTeX verileri

► Referanslar

[1] Juan I Cirac ve Peter Zoller. "Soğuk hapsolmuş iyonlarla kuantum hesaplamaları". Fiziksel inceleme mektupları 74, 4091 (1995).
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevlett.74.4091

[2] Emanuel Knill, Raymond Laflamme ve Gerald J Milburn. "Doğrusal optikle verimli kuantum hesaplama şeması". doğa 409, 46–52 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1038 / 35051009

[3] Jacob Biamonte, Peter Wittek, Nicola Pancotti, Patrick Rebentrost, Nathan Wiebe ve Seth Lloyd. "Kuantum makine öğrenimi". Doğa 549, 195–202 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature23474

[4] M Cerezo, Guillaume Verdon, Hsin-Yuan Huang, Lukasz Cincio ve Patrick J Coles. "Kuantum makine öğrenimindeki zorluklar ve fırsatlar". Doğa Hesaplamalı Bilim 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 ve diğerleri. “Gürültülü orta ölçekli kuantum (nisq) algoritmaları (2021)” (2021). arXiv:2101.08448v1.
arXiv: 2101.08448v1

[6] Alan Aspuru-Guzik, Roland Lindh ve Markus Reiher. “Madde simülasyonu (r) evrimi”. ACS merkezi bilimi 4, 144–152 (2018).
https://​/​doi.org/​10.1021/​acscentsci.7b00550

[7] Iulia M Georgescu, Sahel Ashhab ve Franco Nori. “Kuantum simülasyonu”. Modern Fizik İncelemeleri 86, 153 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.86.153

[8] Markus Reiher, Nathan Wiebe, Krysta M Svore, Dave Wecker ve Matthias Troyer. "Kuantum bilgisayarlarda reaksiyon mekanizmalarının aydınlatılması". Ulusal Bilimler Akademisi Bildirileri 114, 7555–7560 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1073 / pnas.1619152114

[9] Yudong Cao, Jhonathan Romero ve Alán Aspuru-Guzik. "İlaç keşfi için kuantum hesaplamanın potansiyeli". IBM Araştırma ve Geliştirme Dergisi 62, 6–1 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1147 / JRD.2018.2888987

[10] Roman Orus, Samuel Mugel ve Enrique Lizaso. "Finans için Kuantum Bilişim: Genel Bakış ve Beklentiler". Fizik 4, 100028 (2019) incelemeleri.
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.revip.2019.100028

[11] Pierre-Luc Dallaire-Demers, Jonathan Romero, Libor Veis, Sukin Sim ve Alán Aspuru-Guzik. "Bir kuantum bilgisayarda ilişkili fermiyonik durumları hazırlamak için düşük derinlikli devre ansatz". Kuantum Bilimi ve Teknolojisi 4, 045005 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 2058-9565 / ab3951

[12] Elizabeth Fons, Paula Dawson, Jeffrey Yau, Xiao-jun Zeng ve John Keane. "Akıllı beta yatırımı için Özellik Belirginliği Gizli Markov modellerini kullanan yeni bir dinamik varlık tahsis sistemi". Uygulamalı Uzman Sistemler 163, 113720 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.eswa.2020.113720

[13] PV Chandrika, K Visalakshmi ve K Sakthi Srinivasan. “Hisse Senedi Ticaretinde Gizli Markov Modellerinin Uygulanması”. 2020'de 6. Uluslararası Gelişmiş Bilgi İşlem ve İletişim Sistemleri Konferansı (ICACCS). Sayfalar 1144–1147. (2020).
https://​/​doi.org/​10.1109/​ICACCS48705.2020.9074387

[14] Dima Suleiman, Arafat Awajan ve Wael Al Etaiwi. "Doğal Arap dili işlemede gizli Markov modelinin kullanımı: Bir anket". Procedia bilgisayar bilimi 113, 240–247 (2017).
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.procs.2017.08.363

[15] Hariz Zakka Muhammad, Muhammad Nasrun, Casi Setiianingsih ve Muhammad Ary Murti. “Gizli Markov modelini kullanarak İngilizceden Endonezceye çevirmene yönelik konuşma tanıma”. 2018 Uluslararası Sinyaller ve Sistemler Konferansı (ICSigSys). Sayfalar 255–260. IEEE (2018).
https://​/​doi.org/​10.1109/​ICSIGSYS.2018.8372768

[16] Erik LL Sonnhammer, Gunnar Von Heijne, Anders Krogh, ve diğerleri. "Protein dizilerindeki transmembran helisleri tahmin etmek için gizli bir Markov modeli". LSMB 1998'de. Sayfalar 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 ve Jeanne M Fuarı. "Gizli Markov Modeli: protein toksinlerini, virülans faktörlerini ve antibiyotik direnç genlerini tespit etmek için en kısa benzersiz temsili yaklaşım". BMC Araştırma Notları 14, 1–5 (2021).
https://​/​doi.org/​10.21203/​rs.3.rs-185430/​v1

[18] Sean R Eddy. “Gizli Markov modeli nedir?”. Doğa biyoteknolojisi 22, 1315–1316 (2004).
https://​/​doi.org/​10.1038/​nbt1004-1315

[19] Paul M Baggenstoss. "Çoklu gözlem alanlarına sahip gizli Markov modelleri için değiştirilmiş bir baum-welch algoritması". Konuşma ve ses işlemeye ilişkin IEEE İşlemleri 9, 411–416 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1109 / 89.917686

[20] Aleksandar Kavcic ve Jose MF Moura. "Viterbi algoritması ve Markov gürültü belleği". Bilgi teorisi üzerine IEEE İşlemleri 46, 291–301 (2000).
https: / / doi.org/ 10.1109 / 18.817531

[21] Todd K Ay. "Beklenti maksimizasyon algoritması". IEEE Sinyal işleme dergisi 13, 47–60 (1996).
https: / / doi.org/ 10.1109 / 79.543975

[22] Alex Monras, Almut Beige ve Karoline Wiesner. “Gizli kuantum Markov modelleri ve çok cisim durumlarının uyarlanabilir olmayan okunması” (2010). arXiv:1002.2337.
arXiv: 1002.2337

[23] Siddarth Srinivasan, Geoff Gordon ve Byron Boots. “Gizli kuantum Markov modellerini öğrenmek”. Amos Storkey ve Fernando Perez-Cruz, editörler, Yirmi Birinci Uluslararası Yapay Zeka ve İstatistik Konferansı Bildirileri. Makine Öğrenimi Araştırması Bildirileri Cilt 84, sayfalar 1979–1987. PMLR (2018). URL: https://​/​proceedings.mlr.press/​v84/​srinivasan18a.html.
https://​/​proceedings.mlr.press/​v84/​srinivasan18a.html

[24] Herbert Jaeger. "Ayrık stokastik zaman serileri için gözlemlenebilir operatör modelleri". Sinirsel hesaplama 12, 1371–1398 (2000).
https: / / doi.org/ 10.1162 / 089976600300015411

[25] Qing Liu, Thomas J. Elliott, Felix C. Binder, Carlo Di Franco ve Mile Gu. "Üniter kuantum dinamiği ile optimal stokastik modelleme". Fizik. Rev. A 99, 062110 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.062110

[26] Thomas J Elliott. "Belirleyici olmayan gizli Markov modellerinin kuantum uygulamalarının bellek sıkıştırması ve termal verimliliği". Fiziksel İnceleme A 103, 052615 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.103.052615

[27] Sandesh Adhikary, Siddarth Srinivasan, Geoff Gordon ve Byron Boots. “Gizli Kuantum Markov Modellerinin Anlatımı ve Öğrenilmesi”. Uluslararası Yapay Zeka ve İstatistik Konferansında. Sayfalar 4151–4161. (2020). URL: http://​/​proceedings.mlr.press/​v108/​adhikary20a/​adhikary20a.pdf.
http://​/​proceedings.mlr.press/​v108/​adhikary20a/​adhikary20a.pdf

[28] Bo Jiang ve Yu-Hong Dai. "Stiefel manifoldunda optimizasyon için güncelleme şemalarını koruyan kısıtlamaların bir çerçevesi". Matematiksel Programlama 153, 535–575 (2015).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s10107-014-0816-7

[29] Vanio Markov, Vladimir Rastunkov, Amol Deshmukh, Daniel Fry ve Charlee Stefanski. “Kuantum gizli Markov modellerinin uygulanması ve öğrenilmesi” (2022). arXiv:2212.03796v2.
arXiv: 2212.03796v2

[30] Xiantao Li ve Chunhao Wang. “Yüksek dereceli seri genişletmeyi kullanarak Markov açık kuantum sistemlerini simüle etmek” (2022). arXiv:2212.02051v2.
arXiv: 2212.02051v2

[31] Yoshitaka Tanimura. "Kuantum enerji tüketen sistemlere Stokastik Liouville, Langevin, Fokker-Planck ve ana denklem yaklaşımları". Japonya Fizik Derneği Dergisi 75, 082001 (2006).
https: / / doi.org/ 10.1143 / JPSJ.75.082001

[32] Akihito Ishizaki ve Graham R. Fleming. "Elektronik enerji transferinde kuantum tutarlı ve tutarsız atlama dinamiklerinin birleşik tedavisi: Azaltılmış hiyerarşi denklemi yaklaşımı". Kimyasal fizik Dergisi 130 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.3155372

[33] Jinshuang Jin, Xiao Zheng ve YiJing Yan. "Yükseltici elektronik sistemlerin ve kuantum aktarımının kesin dinamikleri: Hiyerarşik hareket denklemleri yaklaşımı". Kimyasal fizik Dergisi 128 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.2938087

[34] Lewis A Clark, Wei Huang, Thomas M Barlow ve Almut Beige. "Gizli kuantum Markov modelleri ve anlık geri bildirimli açık kuantum sistemleri". ISCS 2014 Karmaşık Sistemler Disiplinlerarası Sempozyumunda. Sayfalar 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 ve YiJing Yan. "Mezoskopik sistemler aracılığıyla kuantum taşınımına kuantum ana denklem yaklaşımı". Fiziksel İnceleme B 71, 205304 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.71.205304

[36] Michael J Kastoryano, Fernando GSL Brandão, András Gilyén ve diğerleri. “Kuantum termal durum hazırlığı” (2023). arXiv:2303.18224.
arXiv: 2303.18224

[37] Ming-Jie Zhao ve Herbert Jaeger. “Norm gözlemlenebilir operatör modelleri”. Sinirsel hesaplama 22, 1927–1959 (2010).
https://​/​doi.org/​10.1162/​neco.2010.03-09-983

[38] Sandesh Adhikary, Siddarth Srinivasan ve Byron Boots. “Stiefel manifoldunda kısıtlı gradyan inişini kullanarak kuantum grafik modellerini öğrenme” (2019). arXiv:2101.08448v1.
arXiv: 2101.08448v1

[39] MS Vijayabaskar David R. Westhead, editör. “Gizli Markov Modelleri”. Cilt 2, sayfa 18. Humana New York, NY. (2017).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-1-4939-6753-7

Alıntılama

Bu Makale, Quantum'da Creative Commons Atıf 4.0 Uluslararası (CC BY 4.0) lisans. Telif hakkı, yazarlar veya kurumları gibi orijinal telif hakkı sahiplerine aittir.

Zaman Damgası:

Den fazla Kuantum Günlüğü