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基于树形结构的变分量子线路模型设计研究

基于树形结构的变分量子线路模型设计研究

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作者：朱鸿生沈阳航空航天大学

学位级别：硕士

随着量子计算的蓬勃发展,将量子计算强大的计算能力和经典机器学习相结合是量子计算的最前沿的发展方向。在有噪声的中尺度量子计算机(Noisy Intermediate-Scale Quantum,NISQ)时代,变分量子算法(Variational Quantum Algorithms,VQA)... 详细信息

随着量子计算的蓬勃发展,将量子计算强大的计算能力和经典机器学习相结合是量子计算的最前沿的发展方向。在有噪声的中尺度量子计算机(Noisy Intermediate-Scale Quantum,NISQ)时代,变分量子算法(Variational Quantum Algorithms,VQA)是实现量子优势最有前途的方法。VQA是一种量子经典-混合算法,通常使用经典优化器来训练变分量子线路(Variational Quantum Circuit,VQC)。然而在训练中会产生贫瘠高原现象,这意味着在优化变分量子线路时,其梯度在某些区域几乎为零,降低量子线路的可训练性,甚至不可训练。本文主要通过设计VQC结构,包括旋转层和纠缠层的量子逻辑门选择,量子纠缠结构的设计来缓解量子线路中贫瘠高原现象。本文首先分析了多层变分量子线路的结构构造方案,并结合树形张量网络结构和多层变分量子线路结构,设计一种多层树形变分量子线路结构。该结构通过将旋转层和纠缠层相融合形成一种树形结构,既继承多层变分量子线路的可扩展性,又满足树形张量网络低资源消耗性。其次根据量子线路的表达能力、纠缠能力以及避免贫瘠高原能力,进行量子线路性能仿真与优化。仿真实验结果表明,多层变分量子线路结构无法避免贫瘠高原现象,本文设计的多层树形变分量子线路结构在表达能力和纠缠能力方面均强于多层变分量子线路结构并且能够有效缓解贫瘠高原现象。最后提出基于多层树形变分量子线路结构的变分量子分类器模型,进一步验证所设计线路结构的性能,将本文设计的线路结构与多层变分量子线路结构的变分量子分类器进行网络攻击分类预测实验对比。仿真实验结果表明,本文设计的分类器模型准确度更高,模型综合性能更强、消耗资源更低,证明了其线路结构的高性能和可行性。

关键词：变分量子算法变分量子线路树形结构贫瘠高原变分量子分类器

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