0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看技术视频
  • 写文章/发帖/加入社区
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

探究当量子计算遇上到机器学习会摩擦出什么火花?

Dbwd_Imgtec 来源:CSDN技术社区 作者:Dr.Alessandro Crimi 2021-03-10 14:23 次阅读

机器学习一直都很热门,自不必多言;量子计算能引起这么高的热度,到底是凭什么?一起来看看本文如何解读~

作者 | Dr.Alessandro Crimi

译者| 苏本如

量子计算和机器学习已经成为当今炙手可热的话题。排除一些明显的炒作外,这当中也有一些真正的基础。随着传统计算技术的发展,基于机器学习等领域的图像相关分析已经取得了令人难以置信的成果。另一方面,量子物理学一直是一个令人难解的神秘领域,它引起了数学(以及许多完全不科学的伪科学)发展的突飞猛进。量子计算正在成为克服传统计算的一些局限性的新方法,包括晶体管小型化的物理限制。 1在过去的一年里,人们已经将量子计算作为神经网络的层级,或者将其视为朴素贝叶斯分类器。2020 年 3 月,谷歌宣布发布 TensorFlow Quantum,这是一系列将最先进的机器学习与量子计算算法结合在一起的工具。 简而言之,这个工具的思路是将量子计算作为分类系统中的一个步骤,但我们也可能反过来考虑。

量子机器学习分类器的典型设置(图片由作者提供)

另一种方法是由 Q-CTRL 公司创新提出的,Q-CTRL 一家专注于量子计算的公司,位于悉尼和洛杉矶。这种方法已经得到验证,它将重点放在量子计算上,并有效地使用机器学习来抑制量子硬件噪声和缺陷的影响。

大多数量子计算机硬件可以在不到一毫秒的时间内完成计算,但是因为噪音的影响而需要复位,其导致的性能目前还不如低成本的笔记本电脑。这个结果比我们听到的要糟糕得多,在下一节中我会详细解释这一点。

量子退相干(DECOHERENCE)

量子位(也叫量子比特,qu-bits),这个经典二进制位在量子计算机中的量子版本,当它暴露于硬件噪声中时,其中的信息非常容易退化。这个过程被称为量子退相干(decoherence)。这是我们仍处于量子计算初期的原因之一。

下面是我提供的屏幕截图,一个是理想情况下的一个量子位的预期结果,另一个是在硬件噪声影响下的结果。从一个量子位来看,结果似乎没有那么糟糕,但是想象一下执行一项任务所需要的所有量子位,就可以想象被噪声影响的结果有多大(即使和一个树莓派卡式电脑或手机相比)。

从上图看到的一个量子位的预期结果

受噪声影响的一个量子位的结果

如何解决量子退相干问题?自 90 年代后期以来,像安德鲁·斯蒂恩(Andrew Steane)和彼得·肖尔(PeterShor)这样的专家已经提出了一些模型,这些模型通过引入某种冗余来补偿它。然而,如果考虑到需要引入大量的量子位(你需要将每个量子比特重复几次),这种方法在我们现有的量子计算机上实际是不可行的。

Q-CTRL 公司的解决方案是创建基于机器学习的固件,该固件可以修复量子退相干,而不需要额外的不可行的硬件。

量子计算硬件是基于光-物质的交互作用(光学硬件)来执行量子逻辑运算的。这些电磁信号的组成实际上是一种算法,可由机器学习工具定义/细化。这个笨重的圆圈应该会减少量子退相干。要真正理解这种方法,需要具备一个典型的机器学习专家所不具备的量子计算方面的知识。我将在下面部分尽力做个介绍。 Q-CTRL 解决方案被称为 BOULDER OPAL,它是一个 Python 包,可以通过在终端机器中键入如下命令来轻松安装:

pipinstallqctrl并简单地执行以下的导入命令:

fromqctrlimportQctrl

接下来的工作就是如何设置哈密顿算子(Hamiltonian),dephase,control 等等参数了…,这些是另外一个单独的话题(如果你感兴趣,可以从下面给出的的参考资料中学习,或者阅读这个文档)。关键点是要实现控制并降低噪声,可以通过使用 TensorFlow 或其他机器学习工具来获得基于复杂梯度的优化方法,这些将在下面关于强化学习的部分中讨论。

强化学习(REINFORCEMENTLEARNING)

在可以用来控制噪声的优化中,强化学习已经得到了成功的应用。强化学习是机器学习的一个领域,在该领域中,智能代理(agent)会在一个环境中采取行动,以最大化累积奖励。

量子硬件中强化学习的整体视图。图片来源于iStock 通过量子计算中的强化学习,学习者(Learner)可以通过对量子设备本身进行实验来创建一个优化的脉冲。此外,强化学习可以发现和利用我们不知道的新物理机制。然而,这样做的缺点是学习者无法告诉你如何找到解决方案,因此我们无法了解设备中噪声抑制的物理原理。 对于那些习惯于机器学习而非量子计算的人们,我将在量子物理和强化学习使用的术语之间建立一座桥梁:量子计算机被视为是一个机器学习代理(agent)的环境。该代理的任务是实现执行高保真门的目标。agent 能够对环境做出各种动作(在我们的例子中,是将脉冲施加到量子计算机)。

agent 通过使用一组可测量的可观察值和基于与目标的接近程度的奖励来学习,以实现其目标。我们的奖励来自门保真度。经过多次实验,学习算法利用这些信息来提高 agent 的性能。 总结

为了了解环境和状态,agent 向量子计算机部署了一系列脉冲。

然后 agent 获取此状态,并使用此信息来决定下一步要执行的操作。

在实践中,agent 获取状态并使用神经网络来决定对下一段脉冲采取什么行动。我们对脉冲的幅度进行量化,以便 learner 从一组有限的选项中进行选择。 一个完整的门脉冲被称为一个 episode,在 episode 结束时对 agent 的奖励(在强化学习术语中)由状态给出。这使我们能够将误差信号提升到测量噪声之上。 上述强化学习可以在多种学习者中进行,包括深度策略梯度(DPG)、深度确定性策略梯度(DDPG)和 SAC(Soft Actor Critic)算法。所有这些 learner 都有超参数,必须先对其进行调整,然后才能用于真正的实验 实验可以在 IBM 的量子计算机上运行,也可以结合众所周知的量子计算工具(如 QSkit)和机器学习工具(如 SciKit-learn)。 这种基于机器学习的优化量子计算方法已经证明可以减少硬件错误并提高门保真度(如下图):

图片来源:Q-CTRL/悉尼大学(Mavadiaet al. Nature Com. 2017)

参考资料

M. Hidary:Quantum computing: an applied approach

T.Jaksch、R.Ortner和P.Auer:Near-optimal Regret Bounds forReinforcement Learning

Q-CTRL Quantum Firmware

英文标题:Don’t ask what Quantum Computing can do for MachineLearning
编辑:lyn

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • 机器学习
    +关注

    关注

    66

    文章

    8061

    浏览量

    130441
  • 量子计算
    +关注

    关注

    4

    文章

    952

    浏览量

    34273

原文标题:当量子计算遇到机器学习

文章出处:【微信号:Imgtec,微信公众号:Imagination Tech】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    量子计算机重构未来 | 阅读体验】 跟我一起漫步量子计算

    首先感谢发烧友提供的试读机会。 略读一周,感触颇深。首先量子计算机作为一种前沿技术,正逐步展现出其巨大的潜力,预示着未来社会和技术领域的深刻变革。下面,我将从几个方面探讨量子计算机如
    发表于 03-13 19:28

    量子

    当我们谈论量子计算机时,通常是在讨论一种利用量子力学原理进行计算的全新计算机系统。与传统的计算
    发表于 03-13 18:18

    量子计算机重构未来 | 阅读体验】+ 了解量子叠加原理

    逻辑门,但是它们可以操作叠加态和纠缠态。 量子计算机的计算能力主要来自于量子比特的叠加特性,通过操纵量子比特的叠加态,
    发表于 03-13 17:19

    量子计算机重构未来 | 阅读体验】+量子计算机的原理究竟是什么以及有哪些应用

    本书内容从目录可以看出本书主要是两部分内容,一部分介绍量子计算机原理,一部分介绍其应用。 其实个人也是抱着对这两个问题的兴趣来看的。 究竟什么是量子计算机相信很多读者都是抱着
    发表于 03-11 12:50

    量子计算机重构未来 | 阅读体验】+机器学习的终点是量子计算

    很高兴,有可以有书看了。 对量子计算感兴趣,要从大概10年前说起了,虽然我之前从事的工作跟计算关系不是很直接。 但是,后来随着接触的任何事情越来越多,才发现,原来很多事情都可以交给机器
    发表于 03-10 16:33

    量子计算机重构未来 | 阅读体验】第二章关键知识点

    磁场消失过程中,量子比特之间的关联性逐步加强,最终输出较为合适的结果。量子退火机典型落地场景:在AVG工厂效率提升上,将原先80%的运转率提高到了95%,大大提高了机器的运行效率。
    发表于 03-06 23:17

    量子计算机重构未来 | 阅读体验】+ 初识量子计算

    、IONQ、 Rigetti、Honeywell、 D-Wave,有按照使用时长收费的,也有按照订阅年度或月度收费的。 3、传统互联网或云计算公司普遍采用云服务形式提供量子计算服务,背后的物理
    发表于 03-05 17:37

    量子计算机重构未来 | 阅读体验】初探

    了一个问题“为什么买了这台机器?”,负责人回答“我甚至不知道该怎么操作,但是我觉得量子计算有无限可能性,所以我就买了他。”。而随后,寺部雅能便总结了这么一句,他们投资的不是“确定性”,而是“可能性
    发表于 03-04 23:09

    量子计算机,未来世界

    抓住科技前沿,就是找到人类未来不远了。学习了解量子技术,为人类创造价值。
    发表于 02-02 13:54

    量子计算机的未来

    了解量子计算机对于工业生产和产品研发的使用
    发表于 02-01 15:30

    量子计算机 未来希望

    自己从事语音识别产品设计开发,而量子技术和量子计算机必将在自然语言处理方面实现重大突破,想通过此书学习量子
    发表于 02-01 12:51

    量子计算,未来已来

    量子计算,神奇神秘,多多学习,与时俱进!
    发表于 02-01 09:05

    当AI遇见量子计算,会引发科学革命吗?

    我们可以将其称为未来计算的复仇者联盟。将两个科技界最热门的术语——机器学习量子计算机结合起来,就形成了
    的头像 发表于 01-05 14:00 494次阅读

    什么是量子计算

    什么是量子计算量子计算计算机科学领域中使用量子理论原理的一个分支。
    的头像 发表于 09-19 10:04 1155次阅读
    什么是<b class='flag-5'>量子</b><b class='flag-5'>计算</b>?

    量子计算机有什么用 量子计算机应用领域

    量子计算机可以加速解决传统计算机无法处理的复杂问题,如化学模拟、大规模优化、机器学习、数据挖掘等领域。
    的头像 发表于 06-14 17:30 5061次阅读