我们在强烈混合（混乱）方面基于能源持续的哈密顿动力学进行了优化的新框架，并在分析和数值上建立其关键特性。该原型是对出生式动力学的离散化，取决于目标函数，其平方相对速度限制。这类无摩擦，节能优化器毫不动摇地进行，直到自然放慢速度在最小的损失附近，这主要是系统的相位空间体积。我们从对动力台球等混乱系统的研究构建，我们制定了一种特定的算法，在机器学习和解决PDE解决任务（包括概括）方面具有良好的性能。它不能以高的局部最低限度停止，这是非凸损失功能的优势，并且比浅谷中的GD+动量更快。

经典算法通常对于解决非障碍最小值的非凸优化问题通常无效。在本文中，我们通过利用量子隧道的全局效应来探讨非凸优化的量子加速。具体而言，我们引入了一种称为量子隧道步行（QTW）的量子算法，并将其应用于局部最小值大约全局最小值的非凸问题。我们表明，当不同局部最小值较高但薄且最小值平坦时，QTW在经典随机梯度下降（SGD）上实现了量子加速。基于此观察结果，我们构建了一个特定的双孔景观，其中经典算法无法有效地击中一个目标，但是QTW可以在已知井附近提供适当的初始状态时可以很好地击中一个目标。最后，我们通过数值实验证实了我们的发现。

在这项工作中，我们探讨了随机梯度下降（SGD）训练的深神经网络的限制动态。如前所述，长时间的性能融合，网络继续通过参数空间通过一个异常扩散的过程，其中距离在具有非活动指数的梯度更新的数量中增加距离。我们揭示了优化的超公数，梯度噪声结构之间的复杂相互作用，以及在训练结束时解释这种异常扩散的Hessian矩阵。为了构建这种理解，我们首先为SGD推导出一个连续时间模型，具有有限的学习速率和批量尺寸，作为欠下的Langevin方程。我们在线性回归中研究了这个方程，我们可以为参数的相位空间动态和它们的瞬时速度来得出精确的分析表达式，从初始化到实用性。使用Fokker-Planck方程，我们表明驾驶这些动态的关键成分不是原始的训练损失，而是修改的损失的组合，其隐含地规则地规范速度和概率电流，这导致相位空间中的振荡。我们在ImageNet培训的Reset-18模型的动态中确定了这种理论的定性和定量预测。通过统计物理的镜头，我们揭示了SGD培训的深神经网络的异常限制动态的机制来源。

物理信息的神经网络（PINN）是神经网络（NNS），它们作为神经网络本身的组成部分编码模型方程，例如部分微分方程（PDE）。如今，PINN是用于求解PDE，分数方程，积分分化方程和随机PDE的。这种新颖的方法已成为一个多任务学习框架，在该框架中，NN必须在减少PDE残差的同时拟合观察到的数据。本文对PINNS的文献进行了全面的综述：虽然该研究的主要目标是表征这些网络及其相关的优势和缺点。该综述还试图将出版物纳入更广泛的基于搭配的物理知识的神经网络，这些神经网络构成了香草·皮恩（Vanilla Pinn）以及许多其他变体，例如物理受限的神经网络（PCNN），各种HP-VPINN，变量HP-VPINN，VPINN，VPINN，变体。和保守的Pinn（CPINN）。该研究表明，大多数研究都集中在通过不同的激活功能，梯度优化技术，神经网络结构和损耗功能结构来定制PINN。尽管使用PINN的应用范围广泛，但通过证明其在某些情况下比有限元方法（FEM）等经典数值技术更可行的能力，但仍有可能的进步，最著名的是尚未解决的理论问题。

本文评价用机器学习问题的数值优化方法。由于机器学习模型是高度参数化的，我们专注于适合高维优化的方法。我们在二次模型上构建直觉，以确定哪种方法适用于非凸优化，并在凸函数上开发用于这种方法的凸起函数。随着随机梯度下降和动量方法的这种理论基础，我们试图解释为什么机器学习领域通常使用的方法非常成功。除了解释成功的启发式之外，最后一章还提供了对更多理论方法的广泛审查，这在实践中并不像惯例。所以在某些情况下，这项工作试图回答这个问题：为什么默认值中包含的默认TensorFlow优化器？

In this thesis, we consider two simple but typical control problems and apply deep reinforcement learning to them, i.e., to cool and control a particle which is subject to continuous position measurement in a one-dimensional quadratic potential or in a quartic potential. We compare the performance of reinforcement learning control and conventional control strategies on the two problems, and show that the reinforcement learning achieves a performance comparable to the optimal control for the quadratic case, and outperforms conventional control strategies for the quartic case for which the optimal control strategy is unknown. To our knowledge, this is the first time deep reinforcement learning is applied to quantum control problems in continuous real space. Our research demonstrates that deep reinforcement learning can be used to control a stochastic quantum system in real space effectively as a measurement-feedback closed-loop controller, and our research also shows the ability of AI to discover new control strategies and properties of the quantum systems that are not well understood, and we can gain insights into these problems by learning from the AI, which opens up a new regime for scientific research.

从非正规化概率分布的抽样是机器学习中的基本问题，包括贝叶斯建模，潜在因子推断和基于能源的模型训练。在几十年的研究之后，尽管收敛缓慢，但MCMC的变化仍然是抽样的默认方法。辅助神经模型可以学习加速MCMC，但训练额外模型的开销可能是禁止的。我们通过具有非牛顿势头的新的汉密尔顿动态提出了对这个问题的根本不同的方法。与MCMC蒙特卡洛等MCMC接近相比，不需要随机步骤。相反，在扩展状态空间中提出的确定性动态精确地对能量函数指定的目标分布，在ergodicity的假设下。或者，可以将动态解释为在没有训练的情况下对指定的能量模型进行采样的标准化流程。所提出的能量采样哈密尔顿（ESH）动态有一个简单的形式，可以用现有的颂歌解决，但我们推出了一个专业的求解器，它表现出更好的性能。 ESH Dynamics会收敛于其MCMC竞争对手的速度更快，更稳定地培训神经网络能量模型。

在自然界中，对称治理规律，而对称打破纹理。在人工神经网络中，对称性是一种中央设计原则，可以在世界上有效地捕获规律，但对称性破裂的作用并不充分理解。在这里，我们开发了一个理论框架，用于研究神经网络中的“学习动态几何”，并揭示了现代神经网络效率和稳定性的明确对称性的关键机制。为了构建这种理解，我们使用连续时间拉格朗日制剂模拟梯度下降的离散学习动态，其中学习规则对应于动能，并且损耗函数对应于势能。然后，我们识别“动力学对称性破坏”（KSB），当动能明确地破坏潜在功能的对称性时的条件。我们概括了物理中已知的定理，以考虑KSB，并导致Noether费用的结果：“Noether的学习动态”（NLD）。最后，我们将NLD应用于具有归一化层的神经网络，并揭示了KSB如何引入“隐式自适应优化”的机制，建立由归一化层和RMSProp引起的学习动态之间的类比。总体而言，通过拉格朗日力学的镜头，我们建立了一个理论基础，以发现神经网络的学习动态的几何设计原则。

这本数字本书包含在物理模拟的背景下与深度学习相关的一切实际和全面的一切。尽可能多，所有主题都带有Jupyter笔记本的形式的动手代码示例，以便快速入门。除了标准的受监督学习的数据中，我们将看看物理丢失约束，更紧密耦合的学习算法，具有可微分的模拟，以及加强学习和不确定性建模。我们生活在令人兴奋的时期：这些方法具有从根本上改变计算机模拟可以实现的巨大潜力。

Recent years have witnessed a growth in mathematics for deep learning--which seeks a deeper understanding of the concepts of deep learning with mathematics, and explores how to make it more robust--and deep learning for mathematics, where deep learning algorithms are used to solve problems in mathematics. The latter has popularised the field of scientific machine learning where deep learning is applied to problems in scientific computing. Specifically, more and more neural network architectures have been developed to solve specific classes of partial differential equations (PDEs). Such methods exploit properties that are inherent to PDEs and thus solve the PDEs better than classical feed-forward neural networks, recurrent neural networks, and convolutional neural networks. This has had a great impact in the area of mathematical modeling where parametric PDEs are widely used to model most natural and physical processes arising in science and engineering, In this work, we review such methods and extend them for parametric studies as well as for solving the related inverse problems. We equally proceed to show their relevance in some industrial applications.

近期在应用于培训深度神经网络和数据分析中的其他优化问题中的非凸优化的优化算法的兴趣增加，我们概述了最近对非凸优化优化算法的全球性能保证的理论结果。我们从古典参数开始，显示一般非凸面问题无法在合理的时间内有效地解决。然后，我们提供了一个问题列表，可以通过利用问题的结构来有效地找到全球最小化器，因为可能的问题。处理非凸性的另一种方法是放宽目标，从找到全局最小，以找到静止点或局部最小值。对于该设置，我们首先为确定性一阶方法的收敛速率提出了已知结果，然后是最佳随机和随机梯度方案的一般理论分析，以及随机第一阶方法的概述。之后，我们讨论了非常一般的非凸面问题，例如最小化$ \ alpha $ -weakly-are-convex功能和满足Polyak-lojasiewicz条件的功能，这仍然允许获得一阶的理论融合保证方法。然后，我们考虑更高阶和零序/衍生物的方法及其收敛速率，以获得非凸优化问题。

我们分析了通过梯度流通过自洽动力场理论训练的无限宽度神经网络中的特征学习。我们构建了确定性动力学阶参数的集合，该参数是内部产物内核，用于在成对的时间点中，每一层中隐藏的单位激活和梯度，从而减少了通过训练对网络活动的描述。这些内核顺序参数共同定义了隐藏层激活分布，神经切线核的演变以及因此输出预测。我们表明，现场理论推导恢复了从Yang和Hu（2021）获得张量程序的无限宽度特征学习网络的递归随机过程。对于深线性网络，这些内核满足一组代数矩阵方程。对于非线性网络，我们提供了一个交替的采样过程，以求助于内核顺序参数。我们提供了与各种近似方案的自洽解决方案的比较描述。最后，我们提供了更现实的设置中的实验，这些实验表明，在CIFAR分类任务上，在不同宽度上保留了CNN的CNN的损耗和内核动力学。

With the development of experimental quantum technology, quantum control has attracted increasing attention due to the realization of controllable artificial quantum systems. However, because quantum-mechanical systems are often too difficult to analytically deal with, heuristic strategies and numerical algorithms which search for proper control protocols are adopted, and, deep learning, especially deep reinforcement learning (RL), is a promising generic candidate solution for the control problems. Although there have been a few successful applications of deep RL to quantum control problems, most of the existing RL algorithms suffer from instabilities and unsatisfactory reproducibility, and require a large amount of fine-tuning and a large computational budget, both of which limit their applicability. To resolve the issue of instabilities, in this dissertation, we investigate the non-convergence issue of Q-learning. Then, we investigate the weakness of existing convergent approaches that have been proposed, and we develop a new convergent Q-learning algorithm, which we call the convergent deep Q network (C-DQN) algorithm, as an alternative to the conventional deep Q network (DQN) algorithm. We prove the convergence of C-DQN and apply it to the Atari 2600 benchmark. We show that when DQN fail, C-DQN still learns successfully. Then, we apply the algorithm to the measurement-feedback cooling problems of a quantum quartic oscillator and a trapped quantum rigid body. We establish the physical models and analyse their properties, and we show that although both C-DQN and DQN can learn to cool the systems, C-DQN tends to behave more stably, and when DQN suffers from instabilities, C-DQN can achieve a better performance. As the performance of DQN can have a large variance and lack consistency, C-DQN can be a better choice for researches on complicated control problems.

Deep Learning optimization involves minimizing a high-dimensional loss function in the weight space which is often perceived as difficult due to its inherent difficulties such as saddle points, local minima, ill-conditioning of the Hessian and limited compute resources. In this paper, we provide a comprehensive review of 12 standard optimization methods successfully used in deep learning research and a theoretical assessment of the difficulties in numerical optimization from the optimization literature.

FIG. 1. Schematic diagram of a Variational Quantum Algorithm (VQA). The inputs to a VQA are: a cost function C(θ), with θ a set of parameters that encodes the solution to the problem, an ansatz whose parameters are trained to minimize the cost, and (possibly) a set of training data {ρ k } used during the optimization. Here, the cost can often be expressed in the form in Eq. ( 3), for some set of functions {f k }. Also, the ansatz is shown as a parameterized quantum circuit (on the left), which is analogous to a neural network (also shown schematically on the right). At each iteration of the loop one uses a quantum computer to efficiently estimate the cost (or its gradients). This information is fed into a classical computer that leverages the power of optimizers to navigate the cost landscape C(θ) and solve the optimization problem in Eq. ( 1). Once a termination condition is met, the VQA outputs an estimate of the solution to the problem. The form of the output depends on the precise task at hand. The red box indicates some of the most common types of outputs.

在神经网络的经验风险景观中扁平最小值的性质已经讨论了一段时间。越来越多的证据表明他们对尖锐物质具有更好的泛化能力。首先，我们讨论高斯混合分类模型，并分析显示存在贝叶斯最佳点估算器，其对应于属于宽平区域的最小值。可以通过直接在分类器（通常是独立的）或学习中使用的可分解损耗函数上应用最大平坦度算法来找到这些估计器。接下来，我们通过广泛的数值验证将分析扩展到深度学习场景。使用两种算法，熵-SGD和复制-SGD，明确地包括在优化目标中，所谓的非局部平整度措施称为本地熵，我们一直提高常见架构的泛化误差（例如Resnet，CeffectnNet）。易于计算的平坦度测量显示与测试精度明确的相关性。

具有动量的迷你批次SGD是学习大型预测模型的基本算法。在本文中，我们开发了一个新的分析框架，以分析不同动量和批次大小的线性模型的迷你批次SGD。我们的关键思想是用其生成函数来描述损耗值序列，可以以紧凑的形式写出，假设模型权重的第二矩对角近似。通过分析这种生成功能，我们得出了有关收敛条件，模型相结构和最佳学习设置的各种结论。作为几个示例，我们表明1）优化轨迹通常可以从“信号主导”转换为“噪声主导”阶段，以分析性预测的时间尺度； 2）在“信号主导”（但不是“以噪声为主导”的）阶段中，有利于选择较大的有效学习率，但是对于任何有限的批次大小，其值必须受到限制，以避免发散； 3）可以在负动量下实现最佳收敛速率。我们通过对MNIST和合成问题进行广泛的实验来验证我们的理论预测，并找到良好的定量一致性。

机器学习中的许多新的发展都与基于梯度的优化方法相连。最近，已经使用变分透视研究了这些方法。这已经开辟了使用几何集成引入变分和辛方法的可能性。特别是，在本文中，我们引入了变分集成商，使我们能够导出不同的优化方法。使用汉密尔顿和拉格朗日 - 德尔尔堡的原则，我们在一对一的对应中获得了两个各自的优化方法的一个家庭，即概括Polyak的厚球和众所周知的Nesterov加速梯度方法，其中第二个是模仿行为的第二个对应首先减少经典动量方法的振荡。然而，由于考虑的系统是明确时间依赖的，因此自主系统的杂交的保存仅在这里发生在纤维上。几个实验举例说明结果。

量子哈密顿学习和量子吉布斯采样的双重任务与物理和化学中的许多重要问题有关。在低温方案中，这些任务的算法通常会遭受施状能力，例如因样本或时间复杂性差而遭受。为了解决此类韧性，我们将量子自然梯度下降的概括引入了参数化的混合状态，并提供了稳健的一阶近似算法，即量子 - 固定镜下降。我们使用信息几何学和量子计量学的工具证明了双重任务的数据样本效率，因此首次将经典Fisher效率的开创性结果推广到变异量子算法。我们的方法扩展了以前样品有效的技术，以允许模型选择的灵活性，包括基于量子汉密尔顿的量子模型，包括基于量子的模型，这些模型可能会规避棘手的时间复杂性。我们的一阶算法是使用经典镜下降二元性的新型量子概括得出的。两种结果都需要特殊的度量选择，即Bogoliubov-Kubo-Mori度量。为了从数值上测试我们提出的算法，我们将它们的性能与现有基准进行了关于横向场ISING模型的量子Gibbs采样任务的现有基准。最后，我们提出了一种初始化策略，利用几何局部性来建模状态的序列（例如量子 - 故事过程）的序列。我们从经验上证明了它在实际和想象的时间演化的经验上，同时定义了更广泛的潜在应用。

对应用机器学习来研究动态系统有一波兴趣。特别地，已经应用神经网络来解决运动方程，因此追踪系统的演变。与神经网络和机器学习的其他应用相反，动态系统 - 根据其潜在的对称 - 具有诸如能量，动量和角动量的不变性。传统的数值迭代方法通常违反这些保护法，在时间上传播误差，并降低方法的可预测性。我们介绍了一个汉密尔顿神经网络，用于解决控制动态系统的微分方程。这种无监督的模型是学习解决方案，可以相同地满足哈密尔顿方程，因此哈密尔顿方程式满足。一旦优化了，所提出的架构被认为是一种杂项单元，因为引入了高效的参数的解决方案。另外，通过共享网络参数并选择适当的激活函数的选择大大提高了网络的可预测性。派生错误分析，并指出数值误差取决于整体网络性能。然后采用辛结构来解决非线性振荡器的方程和混沌HENON-HENEL动态系统。在两个系统中，杂项欧拉集成商需要两个订单比HAMILTONIAN网络更多的评估点，以便在预测的相空间轨迹中获得相同的数值误差顺序。