深度卷积神经网络应用于量子计算机
量子计算机将用于什么用途？量子计算机有望在许多领域帮助解决难题，包括机器学习。
本文详细讲述 量子计算机 上 卷积神经网络 （CNN）的理论实现。我们将此算法称为 QCNN ，我们证明了它可以比CNN 更快 地运行，并且精度 很高 。
为此，我们必须提出 卷积积 的 量子形式 ，找到实现非线性和池化的方法，以及对 表示图像 的 量子态 进行层析成像的新方法，以 保留有意义的信息 。
简而言之，我们可以说 量子物理系统可以描述为 维度为2^n的某些希尔伯特空间中的 向量 ，其中n是粒子数。实际上，这些向量表示许多可能的观察结果的叠加。
另一方面，机器学习，尤其是神经网络，正在粗略地使用向量和矩阵来理解或处理数据。 量子机器学习（QML）旨在使用量子系统对向量进行编码，并使用新的量子算法对其进行学习 。一个关键的概念是在许多矢量上使用量子叠加，我们可以同时处理它们。
我不会更深入地介绍量子计算或QML。有关更多详细信息，可以参考NeurIPS 2019中有关 Quantum k-means的 一篇文章 ：
卷积神经网络（CNN）是一种流行且高效的神经网络，用于图像分类，信号处理等。在大多数层中，将 卷积积 应用于图像或张量的输入上。通常后面是 非线性层和池化层 。
3D张量输入X ^ 1（RGB图像）和4D张量内核K ^ 1之间的卷积。
在本章中，我将重点介绍一层，解释什么是量子CNN。
这里的核心思想是我们可以根据矩阵乘法来重新构造卷积积。
该算法首先以量子叠加方式加载矩阵的 所有行和列 。然后，我们使用先前开发的 Quantum Inner Product Estimation估算 输出的每个像素。在实践中，这就像只计算一个输出像素（图中的红点），但是以 量子叠加的方式进行计算可以使它们同时全部都具有 ！然后，我们可以同时对它们中的每一个应用非线性。
不幸的是，我们所拥有的只是一个量子状态，其中所有像素并行存在，并不意味着我们可以访问所有像素。如果我们打开"量子盒"并查看结果（一个度量），我们 每次都会随机地只看到一个输出像素 。在打开盒子之前，这里都有"四处漂浮"的东西，就像著名的薛定谔的死活猫。
为了解决这个问题，我们引入了一种 只检索最有意义的像素的方法 。实际上，量子叠加中的每个输出像素都有一个幅度，与我们测量系统时 被看到 的幅度有关。在我们的算法中，我们强制此幅度等于像素值。 因此，具有高值的输出像素更有可能被看到。
在CNN中，输出中的高值像素非常重要。它们代表输入中存在特定模式的区域。通过了解不同模式出现的位置，神经网络可以理解图像。因此，这些 高价值像素承载着有意义的信息 ，我们可以舍弃其他希望CNN适应的 像素 。
图像上量子效应（噪声，随机性，采样）的小示例。凭直觉，我们仅对高值像素采样后仍可以"理解"图像。
请注意，在对这些输出像素进行采样时，我们可以在存储它们时应用任何类型的 合并 （有关技术细节，请参见论文）。我们将这些像素存储在经典内存中，以便可以将它们重新加载为 下一层的 输入。
传统上，CNN层需要时间 Õ（ 输出大小 x 内核大小 ） 。这就是为什么例如使用许多大内核来训练这些网络变得昂贵的原因。我们的 量子CNN 需要时间 为O（ （ σ X 输出大小） X Q） ，其中 σ 是我们从输出（<1）绘制样品的比率，和 Q 表示量子精度参数和数据相关的参数一束。有 没有在内核大小更依赖 （数量和尺寸），这可能允许进行更深入的CNN。
通过量子CNN的这种设计，我们现在也想用量子算法对其进行训练。训练包括遵循梯度下降规则更新内核参数。在这里也可以找到一种更快的量子算法，它几乎等同于具有某些额外误差的通常的梯度下降。
QCNN和量子反向传播看起来不错，但暗示了很多近似，噪声和随机性。尽管有这些伪像，CNN仍然可以学习吗？我们比较了小型经典CNN的训练和QCNN在学习对手写数字进行分类（MNIST数据集）的任务上的模拟。这表明 QCNN可以以相似的精度学习 。
量子和经典CNN训练曲线之间的比较。 σ 是从每一层后的输出提取的高值像素的比率。期望 σ 太小，QCNN可以很好地学习。请注意，此数值模拟很小，只能给出直觉，不是证明。
在这项工作中，我们设计了第一个量子算法，通过引入量子卷积乘积和检索有意义的信息的新方法，几乎可以重现任何经典的CNN体系结构。它可以允许使用更深，更大的输入或内核来大大加快CNN的速度。我们还开发了量子反向传播算法，并模拟了整个训练过程。
请读者思考的问题：我们可以在其他数据集使用大型架构上训练QCNN吗？
希卓
2024-10-17 广告
