Mtandao wa Neva wa Quantum kwa Kompyuta Quantum laini

Yaliyomo

• 1. Utangulizi
• 2. Mbinu
  • 2.1 Neva za Quantum Laini
  • 2.2 Mgawanyiko wa Quantum na Uhusiano
• 3. Matokeo ya Majaribio
  • 3.1 Kutambua Nambari Zilizoandikwa kwa Mkono
  • 3.2 Kazi za Uainishaji Zisizo za Mstari
• 4. Utekelezaji wa Kiufundi
  • 4.1 Mfumo wa Kihisabati
  • 4.2 Utekelezaji wa Msimbo
• 5. Matumizi ya Baadaye
• 6. Marejeo
• 7. Uchambuzi Muhimu

1. Utangulizi

Mitandao ya neva imepata mafanikio makubwa katika sekta na taasisi za elimu, lakini inakabiliwa na changamoto katika kuiga mifumo ya miili mingi ya quantum yenye nafasi za hali kubwa za kielelezo. Kompyuta quantum inaahidi kutatua matatizo haya, lakini utekelezaji halisi bado ni changamoto. Karatasi hii inapendekeza muundo mpya wa mtandao wa neva wa quantum kwa kompyuta quantum laini kwa kutumia operesheni za qubit-moja zilizodhibitiwa kiklasiki na vipimo kwenye mifumo halisi ya quantum yenye upungufu wa mazingira.

2. Mbinu

2.1 Neva za Quantum Laini

Mfumo wetu unatumia neva za quantum laini kama vitalu vya ujenzi, zinazohitaji tu operesheni za qubit-moja, operesheni za qubit-moja zilizodhibitiwa kiklasiki, na vipimo. Mbinu hii inapunguza kwa kiasi kikubwa shida za utekelezaji halisi ikilinganishwa na miundo ya kawaida ya kompyuta quantum ambayo inahitaji milango changamano ya qubit-nyingi na urekebishaji makosa.

2.2 Mgawanyiko wa Quantum na Uhusiano

Tunaonyesha kuwa uhusiano wa quantum unaoonyeshwa na mgawanyiko wa quantum usio na sifuri upo katika neva zetu za quantum, hivyo kutoa faida ya msingi ya quantum katika mfumo wetu bila kuhitaji muunganisho kamili.

3. Matokeo ya Majaribio

3.1 Kutambua Nambari Zilizoandikwa kwa Mkono

Tulipima mfumo wetu kwenye seti ya data ya kutambua nambari zilizoandikwa kwa mkono ya MNIST. Mtandao wa neva wa quantum ulifikia usahihi wa uainishaji unaolingana na mitandao ya kawaida ya neva huku ukihitaji vigeu na rasilimali za hesabu chache zaidi.

3.2 Kazi za Uainishaji Zisizo za Mstari

Mfumo ulionyesha uwezo bora wa uainishaji usio na mstari kwenye seti mbalimbali za data za kipimo, ukionyesha uthabiti dhidi ya kelele na utendaji bora katika nafasi za huluki zenye ukubwa mkubwa.

4. Utekelezaji wa Kiufundi

4.1 Mfumo wa Kihisabati

Operesheni ya neva ya quantum inaweza kuwakilishwa kama: $\psi_{out} = M(U(\theta)\psi_{in})$ ambapo $U(\theta)$ inawakilisha mzunguko wa qubit-moja wenye vigeu na $M$ inawakilisha operesheni ya kipimo. Mgawanyiko wa quantum $D(\rho)$ kwa hali ya pande mbili $\rho$ umefafanuliwa kama: $D(\rho) = I(\rho) - J(\rho)$ ambapo $I(\rho)$ ni habari ya pande zote za quantum na $J(\rho)$ ni uhusiano wa kawaida.

4.2 Utekelezaji wa Msimbo

# Utekelezaji wa neva ya quantum kwa kutumia Qiskit
from qiskit import QuantumCircuit, Aer, execute
from qiskit.circuit import Parameter

class QuantumNeuron:
    def __init__(self, num_qubits=1):
        self.circuit = QuantumCircuit(num_qubits, 1)
        self.theta = Parameter('θ')
        
    def forward(self, input_state):
        # Tumia mzunguko wenye vigeu
        self.circuit.ry(self.theta, 0)
        # Kipimo
        self.circuit.measure(0, 0)
        return self.circuit

5. Matumizi ya Baadaye

Mfumo wa kompyuta quantum laini huwezesha ukuzaji wa haraka wa kompyuta za neva za quantum kuliko kompyuta za kawaida za quantum. Matumizi yanayowezekana ni pamoja na ugunduzi wa dawa za quantum, ubunifu wa nyenzo, uundaji wa kifedha, na matatizo ya optimization ambayo hayatatuliki kiklasiki. Mahitaji madogo ya vifaa hufanya utekelezaji wa karibu uwezekane kwenye vichakataji vya quantum vilivyopo.

6. Marejeo

1. Zhou, M.-G., et al. "Quantum Neural Network for Quantum Neural Computing." arXiv preprint (2023).
2. Preskill, J. "Quantum Computing in the NISQ era and beyond." Quantum 2 (2018).
3. Biamonte, J., et al. "Quantum machine learning." Nature 549 (2017).
4. Nielsen, M. A., & Chuang, I. L. "Quantum Computation and Quantum Information." Cambridge University Press (2010).
5. Goodfellow, I., Bengio, Y., & Courville, A. "Deep Learning." MIT Press (2016).

7. Uchambuzi Muhimu

Kwa Uhakika: Karatasi hii inawasilisha mbinu ya vitendo ya masomo ya mashine ya quantum ambayo inaepuka vikwazo vya vifaa vinavyosumbua sekta hii. Badala ya kungojea kompyuta zenye uthabiti wa quantum, waandishi hutumia vifaa vya quantum vya kiwango cha kati vilivyo na kelele pamoja na ukosefu wao wote - na kugeuza vikwazo vya vifaa kuwa sifa badala ya makosa.

Mnyororo wa Mantiki: Utafiti huu unafuata mwendo wazi wa mantiki: (1) kubali kuwa kompyuta kamili za quantum ziko miaka mingi kuwahi, (2) tambua kuwa mitandao ya kawaida ya neva inapambana na uigaji wa mfumo wa quantum, (3) pendekeza neva za quantum laini ambazo hufanya kazi na vifaa vya sasa vilivyo na kelele, (4) onyesha faida ya quantum kupitia mgawanyiko badala ya muunganisho, na (5) thibitisha kwa kazi za vitendo za uainishaji. Mnyororo huu unashughulikia tofauti ya msingi kati ya matarajio ya kompyuta quantum na ukweli wa kisasa wa kiteknolojia.

Vipengele Vyema na Vibaya: Uvumbuzi mkuu ni mabadiliko ya dhana ya kupambana na upungufu wa quantum kwa kukukubali - sawa na jinsi masomo ya mashine ya kawaida yalivyokubua utofauti katika udhibiti wa kutoroka. Matumizi ya mgawanyiko wa quantum badala ya muunganisho kama rasilimali ya quantum ni ya busara sana, kwani mgawanyiko hudumu kwa muda mrefu katika mazingira yenye kelele. Hata hivyo, udhaifu mkubwa wa karatasi hii ni ukosefu wa kulinganisha na mbinu za kisasa za kawaida - ingawa wanaonyesha faida kuliko mitandao ya msingi ya neva, miundo ya kisasa kama vile vigeuzi inaweza kufunga pengo hili. Madai ya kuweza kukuza pia yanahitaji uchambuzi mkali zaidi, kwani hoja ya 'nafasi kubwa ya hali' inatumika kwa njia zote za kawaida na za quantum.

Msukumo wa Hatua: Kwa watafiti wawekezaji, kazi hii inaonyesha hatua muhimu ya kimkakati. Badala ya kumwaga rasilimali kwenye urekebishaji tu wa makosa ya quantum, tunapaswa kuendeleza wakati huo huo algoriti zinazofanya kazi na vifaa vilivyo na kelele. Kampuni kama IBM na Google zinapaswa kuweka kipaumbele maendeleo ya maktaba za kompyuta quantum laini. Mbinu hii inalingana na mpango wa NISQ ulioelezewa na John Preskill na inaweza kuongeza kasi ya faida ya vitendo ya quantum kwa miaka 5-10. Hata hivyo, tahadhari inahitajika - sawa na jinsi mitandao ya kawaida ya neva ilivyohitaji miaka mingi kukomaa, mbinu hii ya quantum itahitaji uthibitishaji mpana wa kimajaribio katika nyanja mbalimbali.

Ikilinganishwa na mbinu zilizothibitishwa za masomo ya mashine ya quantum kama vile vitambuzi tofauti vya quantum au mbinu za kiini cha quantum, mchango wa kipekee wa kazi hii ni ufanisi wake wa vifaa. Wakati mbinu kama zile zilizo kwenye uchambuzi wa Quantum Machine Learning na Biamonte et al. kwa kawaida huhitaji sakiti changamano, mbinu hii inafanikiwa kazi sawa na rasilimali ndogo za quantum. Badala yake ni katika uwezo wa kueleza, lakini kwa matumizi mengi ya vitendo, hii inaweza kuwa makubaliano yanayokubalika.