As the quantum counterparts to the classical artificial neural networks underlying widespread machine-learning applications, unitary-based quantum neural networks are active in various fields of quantum computation. Despite the potential, their developments have been hampered by the elevated cost of optimizations and difficulty in realizations. Here, we propose a quantum neural network in the form of fermion models whose physical properties, such as the local density of states and conditional conductance, serve as outputs, and establish an efficient optimization comparable to back-propagation. In addition to competitive accuracy on challenging classical machine-learning benchmarks, our fermion quantum neural network performs machine learning on quantum systems with high precision and without preprocessing. The quantum nature also brings various other advantages, e.g., quantum correlations entitle networks with more general and local connectivity facilitating numerical simulations and experimental realizations, as well as novel perspectives to address the vanishing gradient problem long plaguing deep networks. We also demonstrate the applications of our quantum toolbox, such as quantum-entanglement analysis, for interpretable machine learning, including training dynamics, decision logic flow, and criteria formulation.


翻译:作为支持广泛机器学习应用的古典人工神经网络的量子对等方,单基量子神经网络活跃于量子计算的不同领域。尽管有潜力,但其发展却受到优化成本和实现困难的阻碍。在这里,我们提议以发酵模型为形式的量子神经网络,其物理特性,如国家的本地密度和有条件导电等,作为产出,并建立一个与后推进相类似的高效优化。除了在具有挑战性的经典机器学习基准上具有竞争力的准确性外,我们的发酵量子神经网络还进行高精度和不预处理的量子系统机器学习。量子网络还带来其他各种优势,例如,量子关系还赋予具有更一般和本地连接的网络以方便数字模拟和实验性实现,以及处理消失的梯度问题的新视角,长期困扰着深层网络。我们还展示了我们的量子工具箱的应用,例如量子纠结分析,用于可解释的机器学习,包括培训动态、决定逻辑流和标准制定。

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