Cancer is one of the leading causes of death worldwide. It is caused by a variety of genetic mutations, which makes every instance of the disease unique. Since chemotherapy can have extremely severe side effects, each patient requires a personalized treatment plan. Finding the dosages that maximize the beneficial effects of the drugs and minimize their adverse side effects is vital. Deep neural networks automate and improve drug selection. However, they require a lot of data to be trained on. Therefore, there is a need for machine-learning approaches that require less data. Hybrid quantum neural networks were shown to provide a potential advantage in problems where training data availability is limited. We propose a novel hybrid quantum neural network for drug response prediction, based on a combination of convolutional, graph convolutional, and deep quantum neural layers of 8 qubits with 363 layers. We test our model on the reduced Genomics of Drug Sensitivity in Cancer dataset and show that the hybrid quantum model outperforms its classical analog by 15% in predicting IC50 drug effectiveness values. The proposed hybrid quantum machine learning model is a step towards deep quantum data-efficient algorithms with thousands of quantum gates for solving problems in personalized medicine, where data collection is a challenge.

由于肿瘤的异质性，在个性化的基础上预测抗癌药物的临床结局在癌症治疗中具有挑战性。已经采取了传统的计算努力来建模药物反应对通过其分子概况描绘的单个样品的影响，但由于OMICS数据的高维度而发生过度拟合，因此阻碍了临床应用的模型。最近的研究表明，深度学习是通过学习药物和样品之间的学习对准模式来建立药物反应模型的一种有前途的方法。但是，现有研究采用了简单的特征融合策略，仅考虑了整个药物特征，同时忽略了在对齐药物和基因时可能起着至关重要的作用的亚基信息。特此在本文中，我们提出了TCR（基于变压器的癌症药物反应网络），以预测抗癌药物反应。通过利用注意机制，TCR能够在我们的研究中有效地学习药物原子/子结构和分子特征之间的相互作用。此外，设计了双重损耗函数和交叉抽样策略，以提高TCR的预测能力。我们表明，TCR在所有评估矩阵上（一些具有显着改进）的各种数据分裂策略下优于所有其他方法。广泛的实验表明，TCR在独立的体外实验和体内实际患者数据上显示出显着提高的概括能力。我们的研究强调了TCR的预测能力及其对癌症药物再利用和精度肿瘤治疗的潜在价值。

Quantum机器学习目前正在受到极大的关注，但是与实用应用的经典机器学习技术相比，其有用性尚不清楚。但是，有迹象表明，某些量子机学习算法可能会提高其经典同行的培训能力 - 在很少有培训数据的情况下，这在情况下可能特别有益。这种情况自然出现在医学分类任务中。在本文中，提出了不同的杂种量子卷积神经网络（QCCNN），提出了不同的量子电路设计和编码技术。它们应用于二维医学成像数据，例如在计算机断层扫描中具有不同的，潜在的恶性病变。这些QCCNN的性能已经与它们的经典同行之一相似，因此鼓励进一步研究将这些算法应用于医学成像任务的方向。

使用量子计算，本文解决了两个科学压迫和日常相关问题，即化学逆转录，这是半导体供应链的药物/材料发现和安全性的重要一步。我们表明，量子长短期内存（QLSTM）是逆转录合成的可行工具。我们使用QLSTM实现了65％的培训准确性，而经典的LSTM可以达到100％。但是，在测试中，我们使用QLSTM实现80％的精度，而经典LSTM仅以70％的精度达到峰值！我们还展示了量子神经网络（QNN）在硬件安全域中的应用，特别是使用一组功率和区域特洛伊木马功能在硬件特洛伊木马（HT）检测中。QNN模型可实现高达97.27％的检测准确性。

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。

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。

In molecular research, simulation \& design of molecules are key areas with significant implications for drug development, material science, and other fields. Current classical computational power falls inadequate to simulate any more than small molecules, let alone protein chains on hundreds of peptide. Therefore these experiment are done physically in wet-lab, but it takes a lot of time \& not possible to examine every molecule due to the size of the search area, tens of billions of dollars are spent every year in these research experiments. Molecule simulation \& design has lately advanced significantly by machine learning models, A fresh perspective on the issue of chemical synthesis is provided by deep generative models for graph-structured data. By optimising differentiable models that produce molecular graphs directly, it is feasible to avoid costly search techniques in the discrete and huge space of chemical structures. But these models also suffer from computational limitations when dimensions become huge and consume huge amount of resources. Quantum Generative machine learning in recent years have shown some empirical results promising significant advantages over classical counterparts.

在三维分子结构上运行的计算方法有可能解决生物学和化学的重要问题。特别地，深度神经网络的重视，但它们在生物分子结构域中的广泛采用受到缺乏系统性能基准或统一工具包的限制，用于与分子数据相互作用。为了解决这个问题，我们呈现Atom3D，这是一个新颖的和现有的基准数据集的集合，跨越几个密钥的生物分子。我们为这些任务中的每一个实施多种三维分子学习方法，并表明它们始终如一地提高了基于单维和二维表示的方法的性能。结构的具体选择对于性能至关重要，具有涉及复杂几何形状的任务的三维卷积网络，在需要详细位置信息的系统中表现出良好的图形网络，以及最近开发的设备越多的网络显示出显着承诺。我们的结果表明，许多分子问题符合三维分子学习的增益，并且有可能改善许多仍然过分曝光的任务。为了降低进入并促进现场进一步发展的障碍，我们还提供了一套全面的DataSet处理，模型培训和在我们的开源ATOM3D Python包中的评估工具套件。所有数据集都可以从https://www.atom3d.ai下载。

我们提出了一种新的混合系统，用于通过使用多目标遗传算法在灰度图像上自动生成和训练量子启发的分类器。我们定义一个动态健身函数，以获得最小的电路和最高的观点数据准确性，以确保所提出的技术是可推广且健壮的。我们通过惩罚其外观来最大程度地减少生成电路的复杂性。我们使用二维降低方法减少图像的大小：主成分分析（PCA），该分析（PCA）是为了优化目的而在个体中编码的，以及一个小的卷积自动编码器（CAE）。将这两种方法相互比较，并采用经典的非线性方法来理解其行为，并确保分类能力是由于量子电路而不是用于降低维度的预处理技术引起的。

Molecular machine learning has been maturing rapidly over the last few years.Improved methods and the presence of larger datasets have enabled machine learning algorithms to make increasingly accurate predictions about molecular properties. However, algorithmic progress has been limited due to the lack of a standard benchmark to compare the efficacy of proposed methods; most new algorithms are benchmarked on different datasets making it challenging to gauge the quality of proposed methods. This work introduces MoleculeNet, a large scale benchmark for molecular machine learning. MoleculeNet curates multiple public datasets, establishes metrics for evaluation, and offers high quality open-source implementations of multiple previously proposed molecular featurization and learning algorithms (released as part of the DeepChem

Machine learning methods have revolutionized the discovery process of new molecules and materials. However, the intensive training process of neural networks for molecules with ever-increasing complexity has resulted in exponential growth in computation cost, leading to long simulation time and high energy consumption. Photonic chip technology offers an alternative platform for implementing neural networks with faster data processing and lower energy usage compared to digital computers. Photonics technology is naturally capable of implementing complex-valued neural networks at no additional hardware cost. Here, we demonstrate the capability of photonic neural networks for predicting the quantum mechanical properties of molecules. To the best of our knowledge, this work is the first to harness photonic technology for machine learning applications in computational chemistry and molecular sciences, such as drug discovery and materials design. We further show that multiple properties can be learned simultaneously in a photonic chip via a multi-task regression learning algorithm, which is also the first of its kind as well, as most previous works focus on implementing a network in the classification task.

生物医学网络是与疾病网络的蛋白质相互作用的普遍描述符，从蛋白质相互作用，一直到医疗保健系统和科学知识。随着代表学习提供强大的预测和洞察的显着成功，我们目睹了表现形式学习技术的快速扩展，进入了这些网络的建模，分析和学习。在这篇综述中，我们提出了一个观察到生物学和医学中的网络长期原则 - 而在机器学习研究中经常出口 - 可以为代表学习提供概念基础，解释其当前的成功和限制，并告知未来进步。我们综合了一系列算法方法，即在其核心利用图形拓扑到将网络嵌入到紧凑的向量空间中，并捕获表示陈述学习证明有用的方式的广度。深远的影响包括鉴定复杂性状的变异性，单细胞的异心行为及其对健康的影响，协助患者的诊断和治疗以及制定安全有效的药物。

预测量子电路的输出是一项硬计算任务，在通用量子计算机的开发中起着关键作用。在这里，我们研究了随机量子电路的输出期望值的监督学习。深层卷积神经网络（CNN）经过训练，可以使用经典模拟电路的数据库来预测单量和两数分的期望值。这些电路通过适当设计的组成门编码来表示。分析了以前看不见的电路的预测准确性，还可以与免费的IBM量子程序获得的小规模量子计算机进行比较。 CNN通常取决于电路深度，网络深度和训练集尺寸，通常优于量子设备。值得注意的是，我们的CNN被设计为可扩展。这使我们可以利用转移学习和执行外推，以比培训集中包含的电路更大。这些CNN还表现出对噪声的显着弹性，即，即使在很少的测量值中进行了（模拟）期望值的训练，它们仍然是准确的。

最近的工作已经开始探索参数化量子电路（PQC）作为一般函数近似器的潜力。在这项工作中，我们提出了一种量子古典的深网络结构，以提高经典的CNN模型辨别性。卷积层使用线性滤波器来扫描输入数据。此外，我们构建PQC，这是一种更有效的函数近似器，具有更复杂的结构，以捕获接收领域内的特征。通过以与CNN类似的方式将PQC滑过输入来获得特征图。我们还为所提出的模型提供培训算法。我们设计中使用的混合模型通过数值模拟验证。我们展示了MNIST上合理的分类性能，我们将性能与不同的设置中的模型进行比较。结果揭示了具有高表现性的ANSATZ模型实现了更低的成本和更高的准确性。

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。

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.

在过去的十年中，机器学习取得了巨大的成功，其应用程序从面部识别到自然语言处理不等。同时，在量子计算领域已经取得了快速的进步，包括开发强大的量子算法和高级量子设备。机器学习与量子物理学之间的相互作用具有将实际应用带给现代社会的有趣潜力。在这里，我们以参数化量子电路的形式关注量子神经网络。我们将主要讨论各种结构和编码量子神经网络的策略，以进行监督学习任务，并利用Yao.jl进行基准测试，这是用朱莉娅语言编写的量子模拟软件包。这些代码是有效的，旨在为科学工作中的初学者提供便利，例如开发强大的变分量子学习模型并协助相应的实验演示。

为了产生最大的影响，必须使用基于证据的决策制定公共卫生计划。创建机器学习算法是为了收集，存储，处理和分析数据以提供知识和指导决策。任何监视系统的关键部分是图像分析。截至最近，计算机视觉和机器学习的社区最终对此感到好奇。这项研究使用各种机器学习和图像处理方法来检测和预测疟疾疾病。在我们的研究中，我们发现了深度学习技术作为具有更广泛适用于疟疾检测的智能工具的潜力，通过协助诊断病情，可以使医生受益。我们研究了针对计算机框架和组织的深度学习的共同限制，计算需要准备数据，准备开销，实时执行和解释能力，并发现对这些限制的轴承的未来询问。

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.

预计个性化医学预计最大化预期的药物效应并通过基于其遗传谱治疗患者最小化副作用。因此，重要的是基于疾病的遗传谱产生药物，特别是在抗癌药物发现中。然而，这是具有挑战性的，因为巨大的化学空间和癌症特性的变化需要巨大的时间资源来寻找适当的分子。因此，考虑遗传型材的高效和快速的搜索方法是抗癌药物的Novo分子设计所必需的。在这里，我们提出了一种更快的分子生成模型，具有遗传算法和树搜索癌症样本（FeStergts）。 FERSTERGTS以遗传算法和具有三个深神经网络的蒙特卡罗树搜索构建：监督学习，自培训和价值网络，并且它基于癌症样品的遗传谱产生抗癌分子。与其他方法相比，FERSTERGTS产生癌症样品特异性分子，癌症药物在有限数量的采样中所需的一般化学性质。我们预计Fastergts促成了抗癌药物。