Capsule networks, which incorporate the paradigms of connectionism and symbolism, have brought fresh insights into artificial intelligence. The capsule, as the building block of capsule networks, is a group of neurons represented by a vector to encode different features of an entity. The information is extracted hierarchically through capsule layers via routing algorithms. Here, we introduce a quantum capsule network (dubbed QCapsNet) together with a quantum dynamic routing algorithm. Our model enjoys an exponential speedup in the dynamic routing process and exhibits an enhanced representation power. To benchmark the performance of the QCapsNet, we carry out extensive numerical simulations on the classification of handwritten digits and symmetry-protected topological phases, and show that the QCapsNet can achieve the state-of-the-art accuracy and outperforms conventional quantum classifiers evidently. We further unpack the output capsule state and find that a particular subspace may correspond to a human-understandable feature of the input data, which indicates the potential explainability of such networks. Our work reveals an intriguing prospect of quantum capsule networks in quantum machine learning, which may provide a valuable guide towards explainable quantum artificial intelligence.


翻译:Capsule 网络包含了连接和象征主义的范例,它带来了人工智能的新洞察力。作为胶囊网络的构件,胶囊是一组由矢量组成的神经元,代表着一个控制器,可以对实体的不同特征进行编码。信息是通过输胶层通过路由算法逐级提取的。在这里,我们引入了量子胶网(dubbbed QCapsNet)和量子动态路由算法。我们的模型在动态路由进程中具有指数性加速速度,并展示了一种更强的代表力。为了对QCapsNet的性能进行基准,我们在手写数字和对称保护的表层阶段的分类方面进行了广泛的数字模拟,并展示了QCapsNet能够实现最新精度,并明显地超越常规量子分析器。我们进一步解开输出胶囊状态,发现某个子空间可能与输入数据中人类无法理解的特征相匹配,从而显示这种网络的潜在可解释性。我们的工作揭示了对数字胶囊网络进行难以想象的图象学准的前景。我们的工作揭示了在机器中可以解释的硬质数据中可以用来解释的硬质数据。

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