PRL速递:在耗散量子神经网络上训练机器学习模型

PRL速递:在耗散量子神经网络上训练机器学习模型

摘要

量子神经网络(Quantum Neural Networks,QNN)已经提出了几种架构,目的是在量子数据上有效地执行机器学习任务。对于特定的量子神经网络结构,迫切需要严格的扩展结果,以了解哪些结构是可以大规模训练的。在这里,研究人员分析了最近提出的一种架构的梯度扩展(以及可训练性),称之为耗散量子神经网络(dissipative QNN,DQNN),其中每一层的输入量子比特在该层的输出被丢弃。研究人员发现,DQNN可以表现出贫瘠高原,即梯度随量子比特的数量呈指数级消失。此外,研究人员提供了不同条件下DQNN梯度扩展的定量界限,如不同的损失函数和电路深度,并表明可训练性并不总是得到保证。这项工作代表了第一个基于感知器的QNN(perceptron-based QNN)可扩展性的严格分析。

研究领域:量子神经网络,机器学习

论文题目:

Trainability of Dissipative Perceptron-Based Quantum Neural Networks

论文链接:

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.180505

1

神经网络(neural network,NN)已经影响了许多领域,如神经科学、工程、计算机科学、化学和物理学。然而,由于严重的技术挑战,它们的历史发展在进步期与停滞期之间徘徊。感知器很早就作为一种人工神经元被引入,但后来才意识到多层感知器比单层感知器有更大的能力。但仍然存在着如何训练多层感知器的主要问题,这一点最终由反向传播法解决。

在神经网络的成功和 NISQ(Noisy Intermediate-Scale Quantum)设备出现的激励下,人们一直在努力开发量子神经网络(Quantum Neural Network,QNN),希望量子神经网络能够利用量子计算机的力量,在机器学习任务上胜过经典计算机,特别是对于量子数据或本质上属于量子的任务。

尽管有几个QNN方案已经成功实施,但仍需对特定架构的优势和局限性进行更多研究。深入研究QNN的潜在可扩展性问题可以帮助防止这些模型出现“冬天”,就像历史上经典神经网络的情况一样。这推动了最近研究QNN中梯度扩展的工作。该研究表明,旨在训练QNN完成特定任务的变分量子算法,可能表现出梯度随系统大小呈指数性消失。这种所谓的“贫瘠高原现象”,被证明适用于硬件高效的QNN,其中量子门被安排在与量子设备的连接相匹配的块状结构中。

在这里,研究人员考虑一类不同的QNN,称之为耗散量子神经网络(Dissipative Neural Network,DQNN)。在DQNN中,网络中的每个节点都对应于一个量子比特,而网络中的连接由量子感知器模拟。耗散指的是辅助量子比特构成输出层,而输入层的量子比特被丢弃的事实。这种架构最近受到了极大的关注,并被提议作为QNN的一种可扩展的方法。

图:基于耗散感知器的量子神经网络(DQNN)的示意图。

顶部:DQNN由输入层、隐藏层和输出层组成。网络中的每个节点都对应于一个量子比特,它可以通过感知器(以线表示)连接到相邻层的量子比特。DQNN的输入和输出是量子状态,分别记为ρin和ρout。第l层的第j个量子比特表示为qjl。每个感知器对应于它所连接的量子位上的一个单元操作,Vjl表示第l层的第j个感知器。

2

研究人员首先证明,DQNN的可训练性并不总是有保证的,因为它们在损失函数中可能表现出贫瘠高原现象。这种贫瘠高原的存在与感知器和损失函数的局部性有关。具体而言,研究人员证明:(1)具有深度全局感知器的DQNN是不可训练的,尽管该结构具有耗散性;(2)对于浅层和局部感知器,采用全局损失函数会导致贫瘠高原现象,而采用局部损失函数则可以避免该现象。

此外,研究人员还为DQNN提供了一种特定的体系结构,该体系结构具有局部浅层感知器,可以精确地映射到分层硬件高效的QNN。这一结果不仅表明DQNN与硬件效率高的QNN一样具有可表达性,而且还允许研究人员为这些DQNN提供可训练性保证。在这种情况下,由于感知器是局部的,每个神经元只从前一层的少量量子比特接收信息。这种结构让人想起经典的卷积神经网络,众所周知,卷积神经网络可以避免完全连接网络的一些可训练性问题。

3

这些结果表明,要理解QNN的可训练性,并确保它们实际上比经典神经网络具有优势,还有很多工作要做。例如,有趣的未来研究方向是QNN特定的优化器,分析QNN对噪声的容错性,以及防止贫瘠高原现象的策略。此外,探索DQNN和硬件高效的QNN之外的体系结构,尤其是如果此类体系结构具有大规模可训练性,将是一个有意义的课题。

潘佳栋 | 作者

邓一雪 | 编辑

商务合作及投稿转载 swarma@swarma.org

搜索公众号:集智俱乐部

加入“没有围墙的研究所”

让苹果砸得更猛烈些吧!

郑重声明:本文内容及图片均整理自互联网,不代表本站立场,版权归原作者所有,如有侵权请联系管理员(admin#wlmqw.com)删除。
用户投稿
上一篇 2022年8月15日 17:46
下一篇 2022年8月15日 17:46

相关推荐

  • 存储过程语法(sql server存储过程语法)

    今天小编给各位分享存储过程语法的知识,其中也会对sql server存储过程语法进行解释,如果能碰巧解决你现在面临的问题,别忘了关注本站,现在开始吧! oracle存储过程基本语法…

    2022年11月26日
  • 拼多多解绑银行卡实名认证安全吗(拼多多解绑银行卡在哪里设置)

    拼多多是很多人喜欢的购物软件,里面一些红包活动需要绑定银行卡实名认证,那么拼多多解绑银行卡实名认证安全吗?拼多多解绑银行卡实名认证会泄露隐私吗?下面小编为大家带来拼多多解绑银行卡实…

    2022年11月17日
  • 裂变营销五种模式十六种方法(裂变是什么意思)

    社群,这个从笔者参加工作起,就一直火到现在的商业词汇,被无数人所尝试和实践,有的凭它创造亿级营收,有的用它获取百万流量,而有的,没有做出任何让人刮目相看的成绩。 笔者自诩全栈运营(…

    2022年11月14日
  • 周蓬安:聊聊“弃婴”话题

    周蓬安:聊聊“弃婴”话题 #男婴仅裹床单被扔楼道 居民报警#如今“婴儿珍贵”已是社会不争的事实,但“弃婴”现象却依然存在。极少数人在道德的自我谴责下,甘愿冒着涉嫌“遗弃罪”风险做出…

    2022年11月13日
  • 负债585.68亿,国美发不起工资了:曾经的“零售霸主”,如今命悬一线

    黄光裕的“复兴计划”成了泡影。 黄光裕的“复兴计划”成了泡影。 沧海桑田无觅处,物是人非事事休。 作为昔日的“零售霸主”,国美电器恐怕做梦也没有想到,有天会以这样的方式登上热搜。“…

    2022年11月12日
  • 淘宝做什么项目好4个小淘宝赚钱项目

    适合网上兼职创业赚钱的项目其实非常多,任何一个几年前的传统的电商项目拿到现在来说,你都会发现有人都做的很好赚到钱。比如今天给大家分享的几个淘宝创业商机,属于相对小众又赚钱的小项目。…

    2022年11月10日
  • 16个基本导数公式(arctanx的导数是什么)

    反三角函数的定义值及值域这里简单总结了反三角函数的定义、其对应的三角函数、其定义域、值域,其后利用反函数求导法则完成了所有反函数求导公式的推导证明。不难看出上述推导过程其实都并不复…

    2022年11月6日
  • “我是这个号主的妈妈,我的儿子去世了”

    宝子们,羊今天网络时又被整破防了。 网络故事千千万,虚假诈骗占一半。 立人设翻车,利用网友同情心来吸引流量更是再常见不过,不过通常遇到这种情况,正义的网友们早就火力全开了。 在一条…

    2022年10月30日
  • 双十一手机价格出现先涨再降现象是怎么回事(苹果12手机双十一当天价格)

    最近各大平台的双11大促活动正在火热进行中,作为大家印象中购物最便宜划算的购物节,双 11 的价格应该是要比平时便宜的,但是有网友发现双十一手机价格出现了先涨再降的现象,而不只是手…

    2022年10月27日
  • 达利园效应是什么梗(达利园是什么牌子)

    达利园食品是非常有名的品牌,不少人早上早点都是吃达利园的糕点,最近达利园效应这个梗非常火爆,不少小伙伴表示一脸懵逼,那么达利园效应是什么梗?达利园效应到底是什么意思呢?出自哪里?下…

    2022年10月26日

联系我们

联系邮箱:admin#wlmqw.com
工作时间:周一至周五,10:30-18:30,节假日休息