The field of quantum machine learning (QML) explores how quantum computers can be used to more efficiently solve machine learning problems. As an application of hybrid quantum-classical algorithms, it promises a potential quantum advantages in the near term. In this thesis, we use the ZXW-calculus to diagrammatically analyse two key problems that QML applications face. First, we discuss algorithms to compute gradients on quantum hardware that are needed to perform gradient-based optimisation for QML. Concretely, we give new diagrammatic proofs of the common 2- and 4-term parameter shift rules used in the literature. Additionally, we derive a novel, generalised parameter shift rule with 2n terms that is applicable to gates that can be represented with n parametrised spiders in the ZXW-calculus. Furthermore, to the best of our knowledge, we give the first proof of a conjecture by Anselmetti et al. by proving a no-go theorem ruling out more efficient alternatives to the 4-term shift rule. Secondly, we analyse the gradient landscape of quantum ans\"atze for barren plateaus using both empirical and analytical techniques. Concretely, we develop a tool that automatically calculates the variance of gradients and use it to detect likely barren plateaus in commonly used quantum ans\"atze. Furthermore, we formally prove the existence or absence of barren plateaus for a selection of ans\"atze using diagrammatic techniques from the ZXW-calculus.
翻译:量子机器学习领域( QML) 探索量子计算机如何能更有效地使用来解决机器学习问题。 作为混合量子古典算法的应用, 它有望在近期内带来潜在的量子优势。 在这个论文中, 我们使用 ZXW 计算法来用图表分析QML应用所面临的两个关键问题。 首先, 我们讨论算法来计算量子硬件上的梯度, 这对于为 QML 进行基于梯度的优化是必要的。 具体地说, 我们给出了文献中使用的2 和 4 期参数转换规则的新的图表证据。 此外, 我们用2n 术语来产生新的、 通用参数转换规则, 适用于ZXW 计算过程中的顶点蜘蛛。 此外, 根据我们的知识, 我们首先用算法来证明安塞尔梅蒂等人等人等人等人对量子硬件进行精度。 具体地说, 我们用4- 期转换规则的更高效的替代方法。 第二, 我们用2n 术语来分析一个新通用的参数转换规则的值参数转换规则的值变化规则。 我们用在 水平的梯值结构中, 分析一个我们用一个常规的 解的 和 水平 来测定的, 解 的 的 的 的 的 的 解算算法,, 一种我们用一个常规 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 解的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 解算为 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 解的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 解的 的 的