Các thuật toán hiệu quả cho nút cổ chai thông tin lượng tử

Các thuật toán hiệu quả cho nút cổ chai thông tin lượng tử

Masahito Hayashi1,2,3,4 và Yuxiang Yang5

1Viện Khoa học và Kỹ thuật Lượng tử Thâm Quyến, Đại học Khoa học và Công nghệ Miền Nam, Thâm Quyến, 518055, Trung Quốc
2Học viện Lượng tử Quốc tế (SIQA), Quận Futian, Thâm Quyến 518048, Trung Quốc
3Phòng thí nghiệm Khoa học và Kỹ thuật Lượng tử trọng điểm tỉnh Quảng Đông, Đại học Khoa học và Công nghệ miền Nam, Thâm Quyến, 518055, Trung Quốc
4Trường Cao học Toán học, Đại học Nagoya, Nagoya, 464-8602, Nhật Bản
5Sáng kiến ​​tính toán và thông tin lượng tử QICI, Khoa Khoa học Máy tính, Đại học Hồng Kông, Đường Pokfulam, Hồng Kông

Tìm bài báo này thú vị hay muốn thảo luận? Scite hoặc để lại nhận xét về SciRate.

Tóm tắt

Khả năng trích xuất thông tin liên quan là rất quan trọng cho việc học. Một cách tiếp cận khéo léo như vậy là tắc nghẽn thông tin, một vấn đề tối ưu hóa có giải pháp tương ứng với việc trình bày trung thực và hiệu quả về bộ nhớ của thông tin liên quan từ một hệ thống lớn. Sự ra đời của thời đại điện toán lượng tử đòi hỏi các phương pháp hiệu quả hoạt động trên thông tin liên quan đến hệ thống lượng tử. Ở đây chúng tôi giải quyết vấn đề này bằng cách đề xuất một thuật toán mới và tổng quát để khái quát hóa lượng tử về nút thắt thông tin. Thuật toán của chúng tôi vượt trội về tốc độ và độ hội tụ rõ ràng so với các kết quả trước đó. Nó cũng giải quyết được nhiều vấn đề hơn, bao gồm cả sự mở rộng lượng tử của nút cổ chai thông tin xác định, một biến thể quan trọng của vấn đề nút cổ chai thông tin ban đầu. Đáng chú ý, chúng tôi phát hiện ra rằng hệ thống lượng tử có thể đạt được hiệu suất tốt hơn hẳn so với hệ thống cổ điển có cùng kích thước liên quan đến tắc nghẽn thông tin lượng tử, mang lại tầm nhìn mới về việc chứng minh lợi thế của việc học máy lượng tử.

Hãy tưởng tượng rằng một lượng lớn dữ liệu về thời tiết được tạo ra. Để dự đoán thời tiết ngày mai, rất khó xử lý một lượng dữ liệu lớn như vậy và cần phải trích xuất thông tin cần thiết T từ dữ liệu lớn X ban đầu. Nút cổ chai thông tin hiện thực hóa mục tiêu trích xuất thông tin này bằng cách giảm thiểu một lượng thông tin nhất định.

Sự ra đời của thời đại điện toán lượng tử đòi hỏi các thuật toán thắt cổ chai thông tin hoạt động cho các hệ thống lượng tử. Trong công việc này, chúng tôi thiết kế một thuật toán hoạt động chung khi một trong hai (hoặc cả hai) T và Y là một hệ lượng tử. Thuật toán của chúng tôi vượt trội về tốc độ và độ hội tụ rõ ràng so với các kết quả trước đó. Đáng chú ý, chúng tôi đã tìm thấy lợi thế thực sự của việc sử dụng hệ thống lượng tử làm cơ sở dữ liệu T mới, điều này cho thấy rằng hệ thống lượng tử có thể thể hiện tốt hơn các tính năng chính trong học máy.

► Dữ liệu BibTeX

► Tài liệu tham khảo

[1] S. Arimoto. Một thuật toán tính toán dung lượng của các kênh không có bộ nhớ rời rạc tùy ý. Giao dịch của IEEE về Lý thuyết Thông tin, 18 (1): 14–20, 1972. 10.1109/​TIT.1972.1054753.
https: / / doi.org/ 10.1109 / TIT.1972.1054753

[2] Leonardo Banchi, Jason Pereira và Stefano Pirandola. Khái quát hóa trong học máy lượng tử: Quan điểm thông tin lượng tử. PRX Quantum, 2: 040321, tháng 2021 năm 10.1103. 2.040321/​PRXQuantum.XNUMX.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.040321

[3] Jacob Biamonte, Peter Wittek, Nicola Pancotti, Patrick Rebentrost, Nathan Wiebe và Seth Lloyd. Máy học lượng tử. Nature, 549 (7671): 195–202, 2017. 10.1038 / nature23474.
https: / / doi.org/ 10.1038 / thiên nhiên23474

[4] R. Blahut. Tính toán dung lượng kênh và hàm biến dạng tốc độ. Giao dịch của IEEE về Lý thuyết Thông tin, 18 (4): 460–473, 1972. 10.1109/​TIT.1972.1054855.
https: / / doi.org/ 10.1109 / TIT.1972.1054855

[5] Carsten Blank, Daniel K Park, June-Koo Kevin Rhee và Francesco Petruccione. Bộ phân loại lượng tử với hạt nhân lượng tử phù hợp. npj Thông tin lượng tử, 6 (1): 1–7, 2020. 10.1038/​s41534-020-0272-6.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-020-0272-6

[6] Nilanjana Datta, Christoph Hirche và Andreas Winter. Tính lồi và giải thích hoạt động của chức năng thắt cổ chai thông tin lượng tử. Năm 2019 Hội nghị chuyên đề quốc tế của IEEE về lý thuyết thông tin (ISIT), trang 1157–1161, 2019. 10.1109/​ISIT.2019.8849518.
https: / / doi.org/ 10.1109 / ISIT.2019.8849518

[7] András Gilyén, Yuan Su, Guang Hao Low và Nathan Wiebe. Biến đổi giá trị kỳ dị lượng tử và hơn thế nữa: cải tiến theo cấp số nhân cho số học ma trận lượng tử. Trong Kỷ yếu của Hội nghị chuyên đề ACM SIGACT thường niên lần thứ 51 về Lý thuyết điện toán, trang 193–204, 2019. 10.1145/​3313276.3316366.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3313276.3316366

[8] Ziv Goldfeld và Yury Polyanskiy. Vấn đề thắt cổ chai thông tin và ứng dụng của nó trong học máy. Tạp chí IEEE về các lĩnh vực được lựa chọn trong lý thuyết thông tin, 1 (1): 19–38, 2020. 10.1109/​JSAIT.2020.2991561.
https: / / doi.org/ 10.1109 / JSAIT.2020.2991561

[9] Arne L. Grimsmo và Susanne Still. Lọc dự đoán lượng tử. Vật lý. Rev. A, 94: 012338, tháng 2016 năm 10.1103. 94.012338/​PhysRevA.XNUMX.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.94.012338

[10] Aram W Harrow, Avinatan Hassidim và Seth Lloyd. Thuật toán lượng tử cho hệ phương trình tuyến tính. Thư đánh giá vật lý, 103 (15): 150502, 2009. 10.1103/​PhysRevLett.103.150502.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.103.150502

[11] Vojtěch Havlíček, Antonio D Córcoles, Kristan Temme, Aram W Harrow, Abhinav Kandala, Jerry M Chow và Jay M Gambetta. Học tập có giám sát với không gian tính năng tăng cường lượng tử. Thiên nhiên, 567 (7747): 209–212, 2019. 10.1038/​s41586-019-0980-2.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-0980-2

[12] Masahito Hayashi và Vincent Y. F. Tan. Tỷ lệ tối thiểu của số liệu thống kê gần đúng. Giao dịch của IEEE về Lý thuyết Thông tin, 64 (2): 875–888, 2018. 10.1109/​TIT.2017.2775612.
https: / / doi.org/ 10.1109 / TIT.2017.2775612

[13] Carl W. Helstrom. Lý thuyết phát hiện và ước lượng lượng tử. Tạp chí Vật lý Thống kê, 1 (2): 231–252, 1969. 10.1007/​BF01007479.
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF01007479

[14] Christoph Hirche và Andreas Winter. Kích thước bảng chữ cái được giới hạn cho chức năng thắt cổ chai thông tin. Năm 2020, Hội nghị chuyên đề quốc tế của IEEE về Lý thuyết thông tin (ISIT), trang 2383–2388, 2020. 10.1109/​ISIT44484.2020.9174416.
https: / / doi.org/ 10.1109 / ISIT44484.2020.9174416

[15] Alexander S Holevo. Các khía cạnh xác suất và thống kê của lý thuyết lượng tử, tập 1. Springer Science & Business Media, 2011. 10.1007/​978-88-7642-378-9.
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-88-7642-378-9

[16] Winston H. Hsu, Lyndon S. Kennedy và Shih-Fu Chang. Sắp xếp lại tìm kiếm video thông qua nguyên tắc thắt cổ chai thông tin. MM '06, trang 35–44, New York, NY, Hoa Kỳ, 2006. Hiệp hội Máy tính. ISBN 1595934472. 10.1145/​1180639.1180654.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 1180639.1180654

[17] Seth Lloyd, Maria Schuld, Aroosa Ijaz, Josh Izaac và Nathan Killoran. Nhúng lượng tử cho học máy. bản in trước arXiv arXiv:2001.03622, 2020. 10.48550/​arXiv.2001.03622.
https: / / doi.org/ 10.48550 / arXiv.2001.03622
arXiv: 2001.03622

[18] Quang Hạo Low và Isaac L Chuang. Mô phỏng Hamilton bằng khuếch đại phổ đồng đều. bản in trước arXiv arXiv:1707.05391, 2017. 10.48550/​arXiv.1707.05391.
https: / / doi.org/ 10.48550 / arXiv.1707.05391
arXiv: 1707.05391

[19] Guang Hao Low và Isaac L Chuang. Mô phỏng Hamilton bằng cách số hóa. Lượng tử, 3: 163, 2019. 10.22331 / q-2019-07-12-163.
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-07-12-163

[20] Adrián Pérez-Salinas, Alba Cervera-Lierta, Elies Gil-Fuster và José I Latorre. Tải lên lại dữ liệu cho bộ phân loại lượng tử phổ quát. Lượng tử, 4: 226, 2020. 10.22331/​q-2020-02-06-226.
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2020-02-06-226

[21] Martin Plesch và Vladimír Bužek. Nén thông tin lượng tử hiệu quả. Đánh giá Vật lý A, 81 (3): 032317, 2010. 10.1103/​PhysRevA.81.032317.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.81.032317

[22] Navneeth Ramakrishnan, Raban Iten, Volkher B. Scholz và Mario Berta. Tính toán dung lượng kênh lượng tử. Giao dịch của IEEE về Lý thuyết Thông tin, 67 (2): 946–960, 2021. 10.1109/​TIT.2020.3034471.
https: / / doi.org/ 10.1109 / TIT.2020.3034471

[23] Lee A Rozema, Dylan H Mahler, Alex Hayat, Peter S Turner và Aephraim M Steinberg. Nén dữ liệu lượng tử của một tập hợp qubit. Thư Đánh giá Vật lý, 113 (16): 160504, 2014. 10.1103/​PhysRevLett.113.160504.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.113.160504

[24] Sina Salek, Daniela Cadamuro, Philipp Kammerlander và Karoline Wiesner. Mã hóa độ méo lượng tử của thông tin liên quan. Giao dịch của IEEE về Lý thuyết Thông tin, 65 (4): 2603–2613, 2019. 10.1109/​TIT.2018.2878412.
https: / / doi.org/ 10.1109 / TIT.2018.2878412

[25] Maria Schuld. Các mô hình học máy lượng tử được giám sát là các phương pháp hạt nhân. bản in trước arXiv arXiv:2101.11020, 2021. 10.48550/​arXiv.2101.11020.
https: / / doi.org/ 10.48550 / arXiv.2101.11020
arXiv: 2101.11020

[26] Maria Schuld và Nathan Killoran. Học máy lượng tử trong không gian Hilbert đặc trưng. Thư Đánh giá Vật lý, 122 (4): 040504, 2019. 10.1103/​PhysRevLett.122.040504.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.122.040504

[27] Maria Schuld, Ilya Sinayskiy và Francesco Petruccione. Giới thiệu về máy học lượng tử. Vật lý đương đại, 56 (2): 172–185, 2015. 10.1080 / 00107514.2014.964942.
https: / / doi.org/ 10.1080 / 00107514.2014.964942

[28] Ravid Shwartz-Ziv và Naftali Tishby. Mở hộp đen của mạng lưới thần kinh sâu thông qua thông tin. bản in trước arXiv arXiv:1703.00810, 2017. 10.48550/​arXiv.1703.00810.
https: / / doi.org/ 10.48550 / arXiv.1703.00810
arXiv: 1703.00810

[29] Noam Slonim và Naftali Tishby. Phân cụm tài liệu bằng cách sử dụng cụm từ thông qua phương pháp thắt cổ chai thông tin. SIGIR '00, trang 208–215, New York, NY, USA, 2000. Hiệp hội Máy tính. ISBN 1581132263. 10.1145/​345508.345578.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 345508.345578

[30] Maximilian Stark, Aizaz Shah và Gerhard Bauch. Xây dựng mã cực bằng phương pháp thắt cổ chai thông tin. Hội thảo về Mạng và Truyền thông Không dây của IEEE (WCNCW) năm 2018, trang 7–12, 2018. 10.1109/​WCNCW.2018.8368978.
https://​/​doi.org/​10.1109/​WCNCW.2018.8368978

[31] DJ Strouse và David J. Schwab. Nút thắt thông tin xác định. Tính toán thần kinh, 29 (6): 1611–1630, 06 2017. ISSN 0899-7667. 10.1162/​NECO_a_00961.
https://​/​doi.org/​10.1162/​NECO_a_00961

[32] N. Tishby, F. C. Pereira và W. Bialek. Phương pháp thắt cổ chai thông tin. Trong Hội nghị Allerton thường niên lần thứ 37 về Truyền thông, Điều khiển và Máy tính, trang 368–377. Đại học Nhà xuất bản Illinois, 1999. 10.48550/​arXiv.physicals/​0004057.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.physicals/​0004057

[33] Naftali Tishby và Noga Zaslavsky. Học sâu và nguyên tắc thắt cổ chai thông tin. Hội thảo lý thuyết thông tin IEEE (ITW) năm 2015, trang 1–5. IEEE, 2015. 10.1109/​ITW.2015.7133169.
https: / / doi.org/ 10.1109 / ITW.2015.7133169

[34] Peter Wittek. Học máy lượng tử: tính toán lượng tử có ý nghĩa gì đối với việc khai thác dữ liệu. Nhà xuất bản Học thuật, 2014. 10.1016/​C2013-0-19170-2.
https:/​/​doi.org/​10.1016/​C2013-0-19170-2

[35] Yuxiang Yang, Giulio Chiribella và Daniel Ebler. Nén lượng tử hiệu quả cho các tập hợp trạng thái hỗn hợp được chuẩn bị giống hệt nhau. Thư Đánh giá Vật lý, 116 (8): 080501, 2016a. 10.1103/​PhysRevLett.116.080501.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.116.080501

[36] Yuxiang Yang, Giulio Chiribella và Masahito Hayashi. Nén tối ưu cho các trạng thái qubit được chuẩn bị giống hệt nhau. Vật lý. Mục sư Lett., 117: 090502, tháng 2016 năm 10.1103b. 117.090502/​PhysRevLett.XNUMX.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.117.090502

[37] Yuxiang Yang, Ge Bai, Giulio Chiribella và Masahito Hayashi. Nén để mã hóa dân số lượng tử. Giao dịch của IEEE về Lý thuyết Thông tin, 64 (7): 4766–4783, 2018a. 10.1109/​TIT.2017.2788407.
https: / / doi.org/ 10.1109 / TIT.2017.2788407

[38] Yuxiang Yang, Giulio Chiribella và Masahito Hayashi. Đồng hồ bấm giờ lượng tử: cách lưu trữ thời gian trong bộ nhớ lượng tử. Kỷ yếu của Hiệp hội Hoàng gia A: Khoa học Toán học, Vật lý và Kỹ thuật, 474 (2213): 20170773, 2018b. 10.1098/​rspa.2017.0773.
https: / / doi.org/ 10.1098 / rspa.2017.0773

Trích dẫn

[1] Ahmet Burak Catli và Nathan Wiebe, “Đào tạo mạng lưới thần kinh lượng tử bằng phương pháp Nút cổ chai thông tin lượng tử”, arXiv: 2212.02600, (2022).

[2] Yuxuan Du, Yibo Yang, Dacheng Tao và Min-Hsiu Hsieh, “Làm sáng tỏ sức mạnh phụ thuộc vào vấn đề của mạng lưới thần kinh lượng tử trong phân loại nhiều lớp”, arXiv: 2301.01597, (2022).

Các trích dẫn trên là từ SAO / NASA ADS (cập nhật lần cuối thành công 2023 / 03-02 17:03:40). Danh sách có thể không đầy đủ vì không phải tất cả các nhà xuất bản đều cung cấp dữ liệu trích dẫn phù hợp và đầy đủ.

Không thể tìm nạp Crossref trích dẫn bởi dữ liệu trong lần thử cuối cùng 2023 / 03-02 17:03:39: Không thể tìm nạp dữ liệu được trích dẫn cho 10.22331 / q-2023 / 03-02-936 từ Crossref. Điều này là bình thường nếu DOI đã được đăng ký gần đây.

Dấu thời gian:

Thêm từ Tạp chí lượng tử