Powerful hardware services and software libraries are vital tools for quickly and affordably designing, testing, and executing quantum algorithms. A robust large-scale study of how the performance of these platforms scales with the number of qubits is key to providing quantum solutions to challenging industry problems. Such an evaluation is difficult owing to the availability and price of physical quantum processing units. This work benchmarks the runtime and accuracy for a representative sample of specialized high-performance simulated and physical quantum processing units. Results show the QMware cloud computing service can reduce the runtime for executing a quantum circuit by up to 78% compared to the next fastest option for algorithms with fewer than 27 qubits. The AWS SV1 simulator offers a runtime advantage for larger circuits, up to the maximum 34 qubits available with SV1. Beyond this limit, QMware provides the ability to execute circuits as large as 40 qubits. Physical quantum devices, such as Rigetti's Aspen-M2, can provide an exponential runtime advantage for circuits with more than 30. However, the high financial cost of physical quantum processing units presents a serious barrier to practical use. Moreover, of the four quantum devices tested, only IonQ's Harmony achieves high fidelity with more than four qubits. This study paves the way to understanding the optimal combination of available software and hardware for executing practical quantum algorithms.

我们展示了一个新的开源软件，用于快速评估量子电路和绝热进化，这充分利用了硬件加速器。越来越多的Quantum Computing兴趣和Quantum硬件设备的最新发展的兴趣激励了新的高级计算工具的开发，其专注于性能和使用简单性。在这项工作中，我们介绍了一种新的Quantum仿真框架，使开发人员能够将硬件或平台实现的所有复杂方面委托给库，以便他们专注于手头的问题和量子算法。该软件采用Scratch设计，使用仿真性能，代码简单和用户友好的界面作为目标目标。它利用了硬件加速，例如多线CPU，单个GPU和多GPU设备。

量子噪声是嘈杂中间级量子（NISQ）计算机中的关键挑战。以前的缓解噪声的工作主要集中在门级或脉冲级噪声自适应编译。然而，有限的研究工作通过使量子电路本身对噪声具有更高的优化级别。我们提出了Quoutumnas，是变分电路和量子位映射的噪声自适应共同搜索的全面框架。变形量子电路是构建QML和量子仿真的有希望的方法。然而，由于大型设计空间和参数训练成本，找到最佳变分电路及其最佳参数是具有挑战性的。我们建议通过引入新的超级速度来解耦电路搜索和参数培训。超电路由多层预定的参数化栅极构成，并通过迭代采样和更新其的参数子集（Subcircuit）训练。它提供了从头开始培训的子通差形性能的准确估计。然后我们执行Subcircuit的演进共同搜索和其量子位映射。使用从超级电路继承的参数和使用真实设备噪声模型进行估计，估计子电路性能。最后，我们执行迭代栅极修剪和FineTuning以去除冗余栅极。在10个量子计算上广泛评估了12个QML和VQE基准，Quoutumnas显着优于基线。对于QML，Quoutumnas是第一个展示超过95％的2级，85％的4级和真实QC的32％的10级分类准确性。与UCCSD相比，它还实现了H2，H2O，LIH，CH4，BEH2上的VQE任务的最低特征值。我们还开源Quantumengine（https://github.com/mit-han-lab/pytorch-quantum），用于快速训练参数化量子电路，以促进未来的研究。

Quantum machine learning has become an area of growing interest but has certain theoretical and hardware-specific limitations. Notably, the problem of vanishing gradients, or barren plateaus, renders the training impossible for circuits with high qubit counts, imposing a limit on the number of qubits that data scientists can use for solving problems. Independently, angle-embedded supervised quantum neural networks were shown to produce truncated Fourier series with a degree directly dependent on two factors: the depth of the encoding, and the number of parallel qubits the encoding is applied to. The degree of the Fourier series limits the model expressivity. This work introduces two new architectures whose Fourier degrees grow exponentially: the sequential and parallel exponential quantum machine learning architectures. This is done by efficiently using the available Hilbert space when encoding, increasing the expressivity of the quantum encoding. Therefore, the exponential growth allows staying at the low-qubit limit to create highly expressive circuits avoiding barren plateaus. Practically, parallel exponential architecture was shown to outperform the existing linear architectures by reducing their final mean square error value by up to 44.7% in a one-dimensional test problem. Furthermore, the feasibility of this technique was also shown on a trapped ion quantum processing unit.

For a large number of tasks, quantum computing demonstrates the potential for exponential acceleration over classical computing. In the NISQ era, variable-component subcircuits enable applications of quantum computing. To reduce the inherent noise and qubit size limitations of quantum computers, existing research has improved the accuracy and efficiency of Variational Quantum Algorithm (VQA). In this paper, we explore the various ansatz improvement methods for VQAs at the gate level and pulse level, and classify, evaluate and summarize them.

自我监督学习的复苏，其中深入学习模型从数据中产生自己的监督信号，承诺可扩展的方式来解决没有人为注释的大量越来越大的现实数据集。然而，这些方法的惊人的计算复杂性使得对于最先进的性能，经典硬件要求表示有关进一步进展的重要瓶颈。在这里，我们采取了了解量子神经网络是否能够满足对更强大的架构的需求并在原则上的原则上测试其有效性的步骤。有趣的是，即使当量子电路被采样，使用等效结构化的经典网络，我们将遵守使用小型量子神经网络的视觉表示的学习的数值优势。此外，我们应用我们的最佳量子模型，以对IBMQ \ _Paris量子计算机进行分类，并发现当前嘈杂的设备可以在下游任务上实现对等效经典模型的平等准确性。

量子计算是使用量子力学执行计算的过程。该领域研究某些亚杀菌粒子的量子行为，以便随后在执行计算，以及大规模信息处理中使用。这些能力可以在计算时间和经典计算机上的成本方面提供量子计算机的优势。如今，由于计算复杂性或计算所需的时间，具有科学挑战，这是由于古典计算而无法执行，并且量子计算是可能的答案之一。然而，电流量子器件尚未实现必要的QUBITS，并且没有足够的容错才能实现这些目标。尽管如此，还有其他领域，如机器学习或化学，其中量子计算对电流量子器件有用。本手稿旨在展示2017年和2021年之间发布的论文的系统文献综述，以确定，分析和分类量子机器学习和其应用中使用的不同算法。因此，该研究确定了使用量子机器学习技术和算法的52篇文章。发现算法的主要类型是经典机器学习算法的量子实现，例如支持向量机或K最近邻模型，以及古典的深度学习算法，如量子神经网络。许多文章试图解决目前通过古典机器学习回答的问题，但使用量子设备和算法。即使结果很有希望，量子机器学习也远未实现其全部潜力。由于现有量子计算机缺乏足够的质量，速度和比例以允许量子计算来实现其全部潜力，因此需要提高量子硬件。

Hybrid quantum-classical systems make it possible to utilize existing quantum computers to their fullest extent. Within this framework, parameterized quantum circuits can be regarded as machine learning models with remarkable expressive power. This Review presents the components of these models and discusses their application to a variety of data-driven tasks, such as supervised learning and generative modeling. With an increasing number of experimental demonstrations carried out on actual quantum hardware and with software being actively developed, this rapidly growing field is poised to have a broad spectrum of real-world applications.

Pennylane是用于量子计算机可区分编程的Python 3软件框架。该库为近期量子计算设备提供了统一的体系结构，支持量子和连续变化的范例。 Pennylane的核心特征是能够以与经典技术（例如反向传播）兼容的方式来计算变异量子电路的梯度。因此，Pennylane扩展了在优化和机器学习中常见的自动分化算法，以包括量子和混合计算。插件系统使该框架与任何基于门的量子模拟器或硬件兼容。我们为硬件提供商提供插件，包括Xanadu Cloud，Amazon Braket和IBM Quantum，允许Pennylane优化在公开访问的量子设备上运行。在古典方面，Pennylane与加速的机器学习库（例如Tensorflow，Pytorch，Jax和Autograd）接口。 Pennylane可用于优化变分的量子本素体，量子近似优化，量子机学习模型和许多其他应用。

在这项工作中，我们利用量子深的增强学习作为方法，以在三个模拟的复杂性的模拟环境中为简单的，轮式机器人学习导航任务。我们显示了与经典基线相比，在混合量子古典设置中训练有良好建立的深钢筋学习技术的参数化量子电路的相似性能。据我们所知，这是用于机器人行为的量子机学习（QML）的首次演示。因此，我们将机器人技术建立为QML算法的可行研究领域，此后量子计算和量子机学习是自治机器人技术未来进步的潜在技术。除此之外，我们讨论了当前的方法的限制以及自动机器人量子机学习领域的未来研究方向。

在这项工作中，我们提供了一个量子Hopfield关联内存（QHAM），并使用IBM量子体验展示其在仿真和硬件中的能力。 QHAM基于量子神经元设计，可以用于许多不同的机器学习应用，并且可以在真实量子硬件上实现，而不需要中间电路测量或重置操作。我们通过使用硬件噪声模型以及15 QUBIT IBMQ_16_MELBOURBORNE设备的模拟来分析神经元和全QHAM的准确性。量子神经元和QHAM被证明是有弹性的噪声，并且需要低Qubit开销和栅极复杂性。我们通过测试其有效的内存容量来基准QHAM，并在Quantum硬件的NISQ-ERA中展示其能力。该演示在NISQ-ERA量子硬件中实现的第一功能QHAM是在量子计算前沿的机器学习的重要步骤。

生成建模是近期量子设备的一项有前途的任务，可以将量子测量的随机性作为随机来源。所谓的出生机器是纯粹的量子模型，并承诺以量子的方式生成概率分布，而对经典计算机无法访问。本文介绍了出生的机器在蒙特卡洛模拟中的应用，并将其覆盖范围扩展到多元和有条件的分布。模型在（嘈杂）模拟器和IBM量子超导量子硬件上运行。更具体地说，出生的机器用于生成由Muons和探测器材料之间的散射过程和高能量物理颜料实验中的探测器材料产生的事件。 MFC是出现在标准模型理论框架中的玻色子，它们是暗物质的候选者。经验证据表明，诞生的机器可以从蒙特卡洛模拟中重现数据集的边际分布和相关性。

深度学习是当今机器学习中最成功和最深远的策略之一。然而，神经网络的规模和效用仍然受到用于训练它们的当前硬件的极大限制。随着常规电脑快速接近将在未来几年的情况下，常规计算机迅速接近物理限制，这些问题越来越紧。由于这些原因，科学家们已经开始探索替代计算平台，如量子计算机，用于训练神经网络。近年来，变分量子电路已成为在嘈杂的中间秤量子器件上量子深度学习的最成功的方法之一。我们提出了一种混合量子古典神经网络架构，其中每个神经元是变形量子电路。我们使用模拟通用量子计算机和艺术通用量子计算机的状态来统一地分析该混合神经网络对一系列二元分类数据集的性能。在模拟硬件上，我们观察到混合神经网络的分类精度高出10％，比各个变分量子电路更好地最小化了20％。在Quantum硬件上，我们观察到每个模型仅在Qubit和栅极计数足够小时执行良好。

变异量子算法（VQA）在NISQ时代表现出巨大的潜力。在VQA的工作流程中，Ansatz的参数迭代更新以近似所需的量子状态。我们已经看到了各种努力，以较少的大门起草更好的安萨兹。在量子计算机中，栅极Ansatz最终将转换为控制信号，例如TransMons上的微波脉冲。并且对照脉冲需要精心校准，以最大程度地减少误差（例如过度旋转和旋转）。在VQA的情况下，此过程将引入冗余，但是VQAS的变异性能自然可以通过更新幅度和频率参数来处理过度旋转和重组的问题。因此，我们提出了PAN，这是一种用于VQA的天然脉冲ANSATZ GENTARATOR框架。我们生成具有可训练参数用于振幅和频率的天然脉冲ansatz。在我们提出的锅中，我们正在调整参数脉冲，这些脉冲在NISQ计算机上得到了内在支持。考虑到本机 - 脉冲ANSATZ不符合参数迁移规则，我们需要部署非级别优化器。为了限制发送到优化器的参数数量，我们采用了一种生成本机 - 脉冲ANSATZ的渐进式方式。实验是在模拟器和量子设备上进行的，以验证我们的方法。当在NISQ机器上采用时，PAN获得的延迟平均提高了86％。 PAN在H2和HEH+上的VQE任务分别能够达到99.336％和96.482％的精度，即使NISQ机器中有很大的噪声。

本文旨在研究基于电路的混合量子卷积神经网络（QCNNS）如何在遥感的上下文中成功地在图像分类器中成功使用。通过在标准神经网络内引入量子层来丰富CNN的经典架构。本工作中提出的新型QCNN应用于土地使用和陆地覆盖（LULC）分类，选择为地球观测（EO）用例，并在欧元区数据集上测试用作参考基准。通过证明QCNN性能高于经典对应物，多标量分类的结果证明了所提出的方法的有效性。此外，各种量子电路的研究表明，利用量子纠缠的诸如最佳分类评分。本研究强调了将量子计算应用于EO案例研究的潜在能力，并为期货调查提供了理论和实验背景。

Quantum Machine Learning（QML）提供了一种强大的灵活的范式，可用于编程近期量子计算机，具有化学，计量，材料科学，数据科学和数学的应用。这里，一个以参数化量子电路的形式训练ANSATZ，以实现感兴趣的任务。然而，最近出现了挑战表明，由于随机性或硬件噪声引起的平坦训练景观，因此难以训练深度尖锐钽。这激励了我们的工作，在那里我们提出了一种可变的结构方法来构建QML的Ansatzes。我们的方法称为VANS（可变ANSATZ），将一组规则应用于在优化期间以知识的方式在增长和（至关重要的）中删除量子门。因此，VANS非常适合通过保持ANSATZ浅扫描来缓解训练性和与噪声相关的问题。我们在变分量子Eigensolver中使用Vans进行冷凝物质和量子化学应用，并且还在量子自身化学器中进行数据压缩，显示所有情况的成功结果。

量子计算硬件的功能增加，并实现深量子电路的挑战需要完全自动化和有效的工具来编译量子电路。要以一系列与特定量子计算机体系结构有关的天然大门表达任意电路，对于使算法在量子硬件提供商的整个景观中可移植。在这项工作中，我们提出了一个能够转换和优化量子电路的编译器，针对基于穿梭的捕获离子量子处理器。它由剑桥量子计算机的量子电路框架pytket上的自定义算法组成。评估了广泛的量子电路的性能，与标准Pytket相比，与标准Qiskit汇编相比，栅极计数可以降低到3.6倍，最高为2.2，而我们获得的栅极计数与相似的栅极计数相比相比，针对AQT线性静态捕获离子地址架构的Pytket扩展。

本文介绍了一个基于量子神经网络的深度学习系统，用于在平面上特定几何模式（两个摩尔分类问题）的点的二进制分类。我们认为，混合深度学习系统（经典 +量子）的使用不仅可以在计算加速度方面带来合理的好处，而且在理解基本现象和机制方面都可以带来好处。这将导致创建新的机器学习形式，以及量子计算世界中的强大发展。所选数据集基于2D二进制分类生成器，该生成器有助于测试特定算法的有效性；它是一组2D点，形成两个散布的半圆。它在二维表示空间中显示了两个分离的数据集：因此，功能是单个点的两个坐标，$ x_1 $和$ x_2 $。目的是产生一个量子深神经网络，其可识别和分类点的可训练参数数量最少。

在过去的十年中，深入的强化学习（RL）已经取得了长足的进步。同时，最先进的RL算法在培训时间融合方面需要大量的计算预算。最近的工作已经开始通过量子计算的角度来解决这个问题，这有望为几项传统上的艰巨任务做出理论上的速度。在这项工作中，我们研究了一类混合量子古典RL算法，我们共同称为变异量子Q-NETWORKS（VQ-DQN）。我们表明，VQ-DQN方法受到导致学习政策分歧的不稳定性的约束，研究了基于经典模拟的既定结果的重复性，并执行系统的实验以识别观察到的不稳定性的潜在解释。此外，与大多数现有的量子增强学习中现有工作相反，我们在实际量子处理单元（IBM量子设备）上执行RL算法，并研究模拟和物理量子系统之间因实施不足而进行的行为差异。我们的实验表明，与文献中相反的主张相反，与经典方法相比，即使在没有物理缺陷的情况下进行模拟，也不能最终决定是否已知量子方法，也可以提供优势。最后，我们提供了VQ-DQN作为可再现的测试床的强大，通用且经过充分测试的实现，以实现未来的实验。

使用量子卷积神经网络（QCNN）的机器学习在量子和经典数据分类中都取得了成功。在先前的研究中，在少数参数制度中，在相同的训练条件下，QCNN的分类准确性比其经典对应物具有更高的分类精度。但是，由于量子电路的大小有限，因此很难检查大规模量子模型的一般性能，这可以在不久的将来可靠地实施。我们建议转移学习是在嘈杂的中间量子量子时代利用小QCNN的有效策略。在经典到量词转移学习框架中，QCNN可以通过使用预训练的经典卷积神经网络（CNN）来解决复杂的分类问题，而无需大规模量子电路。我们对QCNN模型进行了数值模拟，并在转移学习下对MNIST数据分类进行了各种量子卷积和汇总操作，其中经典的CNN经过了时尚持续数据的培训。结果表明，在相似的训练条件下，从经典到量子CNN的转移学习比纯粹的经典转移学习模型要好得多。