Кіріспе

Кванттық нейрондық желілер – кванттық механика қағидаларына негізделген нейрондық желілердің есептеу модельдері. Кванттық нейрондық есептеудің алғашқы идеяларын 1995 жылы Субхаш Как пен Рон Крисли кванттық сана теориясымен айналысып, кванттық эффекттер танымдық функцияда рөл атқарады деп жариялады. Дегенмен, кванттық нейрондық желілердегі зерттеулер көбінесе классикалық жасанды нейрондық желілер модельдерін (үлгілерді танудың маңызды міндеті үшін машиналық оқытуда кеңінен қолданылады) кванттық ақпараттың артықшылықтарымен біріктіріп, тиімді алгоритмдерді әзірлеуге бағытталған. Мұндай зерттеулердің маңызды себебі – классикалық нейрондық желілерді оқытудың қиындығы, әсіресе үлкен деректер жиынтықтарында. Кванттық параллелизм немесе интерференция және түйісу эффектісі сияқты кванттық есептеу мүмкіндіктерін ресурстар ретінде пайдалануға үміт бар. Кванттық компьютердің технологиялық тұрғыдан іске асырылуы әлі бастапқы сатыда болғандықтан, мұндай кванттық нейрондық желілер модельдері көбінесе физикалық тәжірибелерде толық іске асырылуын күтіп тұрған теориялық ұсыныстар болып табылады. Кванттық нейрондық желілердің көпшілігі алға жылжымалы желілер ретінде құрастырылады. Классикалық нұсқалары сияқты, бұл құрылым бір қабаттағы кубиттерден кіріс алады және осы кірісті келесі қабатқа жібереді. Бұл қабат ақпаратты бағалап, нәтижені келесі қабатқа өткізеді. Соңында бұл жол кубиттердің соңғы қабатына жетеді, сызықтық емес кванттық операторларды (математикалық тұрғыдан даулы ұғым) тұжырымдауға дейін. Кванттық есептеудің схемалық моделін қолдана отырып, белсенділік функциясын тікелей іске асыруды Шульд, Синайский және Петруччионе кванттық фазалық бағалау алгоритміне негізделген.

Кванттық желілер

Зерттеушілер нейрондық желілерді кванттық ортаға жалпылауға тырысып келеді. Кванттық нейронды құрудың бір жолы – ең алдымен классикалық нейрондарды жалпылау, содан кейін оларды одан әрі жалпылап унитарлық қақпалар жасау. Нейрондар арасындағы өзара әрекеттесуді унитарлық қақпалар арқылы кванттық түрде немесе желі күйлерін өлшеу арқылы классикалық түрде басқаруға болады. Бұл жоғары деңгейдегі теориялық техниканы әртүрлі желілер мен кванттық нейрондардың әртүрлі іске асырылуларына, мысалы, фотоникалық түрде іске асырылған нейрондар мен кванттық резервуар процессорға (резервуарлық есептеудің кванттық нұсқасы) қолдану арқылы кеңінен пайдалануға болады. Көптеген оқу алгоритмдері берілген оқу жиынтығының кіріс-шығыс функциясын үйрену үшін жасанды нейрондық желіні оқытудың классикалық моделін ұстанады және кванттық жүйенің параметрлерін олар оңтайлы конфигурацияға дейін жаңарту үшін классикалық кері байланыс циклдарын қолданады. Параметрлерді оңтайландыру мәселесі ретінде оқыту кванттық есептеудің адиабатикалық модельдерімен де қарастырылды. Кванттық нейрондық желілерді алгоритмдік жобалауға қолдануға болады: үйлесімді өзара әрекеттесулері бар кубиттерді ескере отырып, қажетті кіріс-шығыс қатынастарының оқу жиынтығынан классикалық кері таралу ережесін ұстанып, өзара әрекеттесулерді үйренуге талпынуға болады, бұл қажетті шығыс алгоритмінің мінез-құлқы болып табылады. Кванттық желі осылайша алгоритмді «үйренеді».

Оқыту

Кванттық нейрондық желілерді теориялық тұрғыдан классикалық/жасанды нейрондық желілерді оқыту сияқты оқытуға болады. Негізгі айырмашылық – нейрондық желілердің қабаттары арасындағы байланыс. Классикалық нейрондық желілерде белгілі бір операцияның соңында ағымдағы перцептрон өзінің нәтижесін желідегі келесі перцептрон(дар) қабатына көшіреді. Дегенмен, кванттық нейрондық желіде, әр перцептрон кубит болатындықтан, бұл клондау теоремасын бұзуға әкелер еді. Бұл мәселенің ұсынылған жалпы шешімі – классикалық тарату әдісін кез келген унитарлық оператормен ауыстыру, ол бір кубиттің нәтижесін келесі кубиттер қабатына таратып, көшірмейді. Бұл тарату унитарлығын белгілі күйдегі қосымша кубитпен (мысалы, есептеу негізінде) және сонымен қатар Ancilla биті деп аталатын кубитпен қолдану арқылы, кубиттің ақпараты келесі кубиттер қабатына берілуі мүмкін. Осы кванттық алға берілу желісін пайдаланып, терең нейрондық желілерді тиімді түрде іске қосуға және оқытуға болады. Терең нейрондық желі – көптеген жасырын қабаттары бар желі, жоғарыдағы мысал нейрондық желіде көрсетілгендей. Қолданылып жатқан кванттық нейрондық желі тарату унитарлық операторларын пайдаланатындықтан және әр оператор тек өзінің кірісіне ғана әсер ететіндіктен, кез келген уақытта тек екі қабат қолданылады. Суретте VQA кеңейген сайын Батырлық алқап мәселесінің күрделілігі артатыны көрсетілген. Градиенттік төмен түсу классикалық алгоритмдерде кеңінен қолданылады және сәтті нәтижелер береді. Дегенмен, құрылымы CNN сияқты нейрондық желілерге өте ұқсас болса да, QNN-дер нашар нәтижелер көрсетеді. Кванттық кеңістік q биті өскен сайын экспоненциалды түрде кеңейеді, сондықтан бақылаулар экспоненциалды жылдамдықпен орташа мәнге жинақталады, сонымен қатар экспоненциалды түрде кішкентай градиенттер де пайда болады. Бұл жағдай Батырлық алқаптар деп аталады, өйткені бастапқы параметрлердің көп бөлігі градиенттік төмен түсуден гөрі кездейсоқ ізденіске ұқсас, дерлік нөлдік градиенті бар "алқапта" тұрып қалады. Бұл модельді оқытуды қиындатады. Шындығында, тек QNN ғана емес, барлық терең VQA алгоритмдері осы мәселеге тап болады. Қазіргі NISQ дәуірінде, QNN-ді қоса алғанда, әртүрлі VQA алгоритмдерін кеңінен қолдану үшін шешілуі керек мәселелердің бірі осы.