随着受限制的量子计算机逐渐成为现实，寻找有意义的第一应用程序会加剧。在该领域中，较为研究的方法之一是使用一种特殊类型的量子电路（一种所谓的量子神经网络）作为机器学习模型的基础。顾名思义，粗略地说，量子神经网络可以与神经网络发挥相似的作用。但是，专门针对机器学习环境中的应用，对合适的电路体系结构或模型超参数的了解知之甚少。在这项工作中，我们将功能性方差分析框架应用于量子神经网络，以分析哪些超参数对其预测性能最大。我们分析了最常用的量子神经网络架构之一。然后，我们将其应用于OpenML-CC18分类基准中的$ 7 $开源数据集，其功能的数量足够小，足以适合量子硬件，少于$ 20 $ QUBITS。从功能方差分析获得的超参数的排名中检测到了三个主要重要性。我们的实验都证实了预期的模式，并揭示了新的见解。例如，在所有数据集上的边际贡献方面，设定学习率是最关键的超级参数，而所使用的纠缠门的特定选择被认为是最不重要的选择。这项工作介绍了研究量子机学习模型的新方法，并为量子模型选择提供了新的见解。

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.

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。

In recent times, Variational Quantum Circuits (VQC) have been widely adopted to different tasks in machine learning such as Combinatorial Optimization and Supervised Learning. With the growing interest, it is pertinent to study the boundaries of the classical simulation of VQCs to effectively benchmark the algorithms. Classically simulating VQCs can also provide the quantum algorithms with a better initialization reducing the amount of quantum resources needed to train the algorithm. This manuscript proposes an algorithm that compresses the quantum state within a circuit using a tensor ring representation which allows for the implementation of VQC based algorithms on a classical simulator at a fraction of the usual storage and computational complexity. Using the tensor ring approximation of the input quantum state, we propose a method that applies the parametrized unitary operations while retaining the low-rank structure of the tensor ring corresponding to the transformed quantum state, providing an exponential improvement of storage and computational time in the number of qubits and layers. This approximation is used to implement the tensor ring VQC for the task of supervised learning on Iris and MNIST datasets to demonstrate the comparable performance as that of the implementations from classical simulator using Matrix Product States.

对机器学习模型训练的栅极基量子电路的发展越来越兴趣。然而，关于电路设计的参数，噪声和其他测量误差对量子机器学习模型性能的影响很少。在本文中，我们探讨了使用多个标准机器学习数据集和IBM的Qiskit模拟器的关键电路设计参数（Qubits，Deposit等）的实际意义。总的来，我们评估超过6500个独特电路，以$ n \约120700美元。我们发现，一般浅（低深度）宽（更多Qubits）电路拓扑倾向于在没有噪声的情况下更优于更深的内容。我们还探讨了不同噪声概念的影响和影响，并讨论了对分类机学习任务的噪声更多/较低的电路拓扑。基于该研究结果，我们定义了使用基于门的NISQ量子计算机来实现近期承诺的电路拓扑指南。

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。

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.

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。

在当前的嘈杂中间尺度量子（NISQ）时代，量子机学习正在成为基于程序门的量子计算机的主要范式。在量子机学习中，对量子电路的门进行了参数化，并且参数是根据数据和电路输出的测量来通过经典优化来调整的。参数化的量子电路（PQC）可以有效地解决组合优化问题，实施概率生成模型并进行推理（分类和回归）。该专着为具有概率和线性代数背景的工程师的观众提供了量子机学习的独立介绍。它首先描述了描述量子操作和测量所必需的必要背景，概念和工具。然后，它涵盖了参数化的量子电路，变异量子本质层以及无监督和监督的量子机学习公式。

高品质，大型数据集在古典机器学习的发展和成功中发挥了至关重要的作用。量子机器学习（QML）是一个新的领域，旨在使用量子计算机进行数据分析，希望获得某种量子的量子优势。虽然大多数提议的QML架构是使用经典数据集的基准测试，但仍存在古典数据集上的QML是否会实现这样的优势。在这项工作中，我们争辩说，应该使用由量子状态组成的量子数据集。为此目的，我们介绍了由量子状态组成的Ntangled DataSet，其数量和多分纠缠的类型。我们首先展示如何培训量子神经网络，以在Ntangled DataSet中生成状态。然后，我们使用Ntangled DataSet来获得用于监督学习分类任务的基准测试QML模型。我们还考虑一个基于替代的纠缠基数据集，其是可扩展的，并且由量子电路准备的状态与不同深度的状态组成。作为我们的结果的副产品，我们介绍了一种用于产生多重石纠缠态的新方法，为量子纠缠理论提供量子神经网络的用例。

我们设计和分析了量子变压器，扩展了最先进的经典变压器神经网络体系结构，已知在自然语言处理和图像分析中表现出色。在先前用于数据加载和正交神经层的参数化量子电路的工作的基础上，我们引入了三种量子注意机制，包括基于复合矩阵的量子变压器。这些量子体系结构可以使用浅量子电路构建，并可以提供定性不同的分类模型。与最佳的经典变压器和其他经典基准相比，我们对标准医疗图像数据集进行了量子变压器的广泛模拟，这些量子变压器表现出竞争力，有时表现更好。与经典算法相对于分类图像的大小，我们的量子注意层的计算复杂性被证明是有利的。与拥有数百万参数的最佳经典方法相比，我们的量子体系结构具有数千个参数。最后，我们在超导量子计算机上实施了量子变压器，并获得了多达六个量子实验的令人鼓舞的结果。

In the era of noisy intermediate scale quantum devices, variational quantum circuits (VQCs) are currently one of the main strategies for building quantum machine learning models. These models are made up of a quantum part and a classical part. The quantum part is given by a parametrization $U$, which, in general, is obtained from the product of different quantum gates. By its turn, the classical part corresponds to an optimizer that updates the parameters of $U$ in order to minimize a cost function $C$. However, despite the many applications of VQCs, there are still questions to be answered, such as for example: What is the best sequence of gates to be used? How to optimize their parameters? Which cost function to use? How the architecture of the quantum chips influences the final results? In this article, we focus on answering the last question. We will show that, in general, the cost function will tend to a typical average value the closer the parameterization used is from a $2$-design. Therefore, the closer this parameterization is to a $2$-design, the less the result of the quantum neural network model will depend on its parametrization. As a consequence, we can use the own architecture of the quantum chips to defined the VQC parametrization, avoiding the use of additional swap gates and thus diminishing the VQC depth and the associated errors.

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。

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.

量子计算的最新进展已显示出许多问题领域的有希望的计算优势。作为越来越关注的领域之一，混合量子古典机器学习系统已经证明了解决各种数据驱动的学习任务的能力。最近的作品表明，参数化的量子电路（PQC）可用于以可证明的学习优势来解决具有挑战性的强化学习（RL）任务。尽管现有的作品产生了基于PQC的方法的潜力，但PQC体系结构的设计选择及其对学习任务的影响通常没有得到充实。在这项工作中，我们介绍了基于PQC的模型EQAS-PQC，这是一种进化的量子体系结构搜索框架，该模型使用基于人群的遗传算法来通过探索量子操作的搜索空间来发展PQC体系结构。实验结果表明，我们的方法可以显着改善混合量子古典模型在解决基准增强问题方面的性能。我们还对量子操作的概率分布进行建模，以表现出色的体系结构，以识别对性能至关重要的基本设计选择。

隔离量子系统的演变是线性的，因此量子算法是可逆的，包括那些利用量子电路作为生成机器学习模型的量子。但是，一些最成功的经典生成模型，例如基于神经网络的模型，涉及高度非线性，因此是非可逆的动力学。在本文中，我们通过引入一个模型来探讨这些动力学在量子生成建模中的效果，该模型通过神经网络结构将非线性激活添加到标准生产的机器框架上 - 量子神经元出生机器（QNBM）。为了实现这一目标，我们利用了先前引入的量子神经元子例程，这是一个重复启用的电路，具有中路测量和经典控制。引入QNBM后，我们通过训练具有4个输出神经元以及各种输入和隐藏层大小的3层QNBM来研究其性能如何取决于网络大小。然后，我们将非线性QNBM与线性量子电路诞生的机器（QCBM）进行比较。我们将相似的时间和内存资源分配给每个模型，因此唯一的主要区别是QNBM所需的QUBIT开销。通过基于梯度的训练，我们表明，尽管这两种模型都可以轻松地学习一个琐碎的均匀概率分布，但在更具挑战性的分布类别上，QNBM的错误率几乎比具有相似数量可调参数的QCBM要小3倍。因此，我们提供的证据表明，非线性是量子生成模型中的有用资源，我们将QNBM作为具有良好生成性能和量子优势潜力的新模型。

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。

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。

预计变形量子算法将展示量子计算在近期嘈杂量子计算机上的优点。然而，由于算法的大小增加，训练这种变分量子算法遭受梯度消失。以前的工作无法处理由现实量子硬件的必然噪声效应引起的渐变消失。在本文中，我们提出了一种新颖的培训方案，以减轻这种噪声引起的渐变消失。我们首先介绍一种新的成本函数，其中通过在截断的子空间中使用无意程可观察来显着增强梯度。然后，我们证明可以通过从新的成本函数与梯度优化原始成本函数来达到相同的最小值。实验表明，我们的新培训方案对于各种任务的主要变分量子算法非常有效。