The prospect of achieving quantum advantage with Quantum Neural Networks (QNNs) is exciting. Understanding how QNN properties (e.g., the number of parameters $M$) affect the loss landscape is crucial to the design of scalable QNN architectures. Here, we rigorously analyze the overparametrization phenomenon in QNNs with periodic structure. We define overparametrization as the regime where the QNN has more than a critical number of parameters $M_c$ that allows it to explore all relevant directions in state space. Our main results show that the dimension of the Lie algebra obtained from the generators of the QNN is an upper bound for $M_c$, and for the maximal rank that the quantum Fisher information and Hessian matrices can reach. Underparametrized QNNs have spurious local minima in the loss landscape that start disappearing when $M\geq M_c$. Thus, the overparametrization onset corresponds to a computational phase transition where the QNN trainability is greatly improved by a more favorable landscape. We then connect the notion of overparametrization to the QNN capacity, so that when a QNN is overparametrized, its capacity achieves its maximum possible value. We run numerical simulations for eigensolver, compilation, and autoencoding applications to showcase the overparametrization computational phase transition. We note that our results also apply to variational quantum algorithms and quantum optimal control.


翻译:以 量子神经网络( QNN) 实现量子优势的前景令人兴奋。 了解 QNN 属性( 例如参数数量 $M) 如何影响损失地貌对于设计可缩放的QNN 架构至关重要 。 在这里, 我们严格分析有定期结构的QNN QN 超平衡现象。 我们将超平衡定义为一个制度, QN 拥有超过关键数目的参数 $M_ c$, 使其能够在州空间探索所有相关方向 。 我们的主要结果显示, 从QNN 生成器中获取的利位代数( 例如参数数量 $M$M$M$cN$) 的尺寸是如何影响损失地貌的。 我们的主要结果显示, 从QNNND 应用程序中获取的利位数( $M$M$$M$$$$$$$$) 的尺寸对损失地貌环境产生影响, 而对于量子和海星矩阵矩阵矩阵最高级等级的等级来说, Q.

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神经网络(Neural Networks)是世界上三个最古老的神经建模学会的档案期刊:国际神经网络学会(INNS)、欧洲神经网络学会(ENNS)和日本神经网络学会(JNNS)。神经网络提供了一个论坛,以发展和培育一个国际社会的学者和实践者感兴趣的所有方面的神经网络和相关方法的计算智能。神经网络欢迎高质量论文的提交,有助于全面的神经网络研究,从行为和大脑建模,学习算法,通过数学和计算分析,系统的工程和技术应用,大量使用神经网络的概念和技术。这一独特而广泛的范围促进了生物和技术研究之间的思想交流,并有助于促进对生物启发的计算智能感兴趣的跨学科社区的发展。因此,神经网络编委会代表的专家领域包括心理学,神经生物学,计算机科学,工程,数学,物理。该杂志发表文章、信件和评论以及给编辑的信件、社论、时事、软件调查和专利信息。文章发表在五个部分之一:认知科学,神经科学,学习系统,数学和计算分析、工程和应用。 官网地址:http://dblp.uni-trier.de/db/journals/nn/
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