我们在蒙特卡洛事件生成的生成对抗学习的背景下提出和评估一种替代量子发生器体系结构，用于模拟大型强子碰撞器（LHC）的粒子物理过程。我们通过在已知基础分布生成的人造数据上实施量子网络来验证这种方法。然后将网络应用于特定LHC散射过程的蒙特卡洛生成的数据集。新的量子生成器体系结构导致对最先进的实现的概括，即使使用浅深度网络，也可以达到较小的Kullback-Leibler分歧。此外，即使经过小型培训样本组进行了训练，量子发生器即使训练了培训，也成功地学习了基础分布功能。这对于数据增强应用程序特别有趣。我们将这种新颖的方法部署在两个不同的量子硬件体系结构，即被困的离子和超导技术上，以测试其无关紧要的可行性。

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。

量子计算机是下一代设备，有望执行超出古典计算机范围的计算。实现这一目标的主要方法是通过量子机学习，尤其是量子生成学习。由于量子力学的固有概率性质，因此可以合理地假设量子生成学习模型（QGLM）可能会超过其经典对应物。因此，QGLM正在从量子物理和计算机科学社区中受到越来越多的关注，在这些QGLM中，可以在近期量子机上有效实施各种QGLM，并提出了潜在的计算优势。在本文中，我们从机器学习的角度回顾了QGLM的当前进度。特别是，我们解释了这些QGLM，涵盖了量子电路出生的机器，量子生成的对抗网络，量子玻尔兹曼机器和量子自动编码器，作为经典生成学习模型的量子扩展。在这种情况下，我们探讨了它们的内在关系及其根本差异。我们进一步总结了QGLM在常规机器学习任务和量子物理学中的潜在应用。最后，我们讨论了QGLM的挑战和进一步研究指示。

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.

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。

在最近针对生成任务的量子电路模型的建议中，关于其性能的讨论仅限于它们重现已知目标分布的能力。例如，诸如量子电路诞生的机器（QCBM）之类的表达模型家族几乎已经完全评估了其以高精度学习给定目标分布的能力。尽管此方面可能是某些任务的理想选择，但它将生成模型的评估范围限制在记忆数据而不是概括的能力上。结果，对模型的概括性能以及此类能力和资源需求之间的关系几乎没有理解，例如电路深度和培训数据的量。在这项工作中，我们利用最近提出的概括评估框架开始解决这一知识差距。我们首先研究了QCBM的基数受限分布的学习过程，并在增加电路深度的同时看到概括性能的提高。在此处介绍的12个问题示例中，我们观察到，只有30％的有效模式与训练集相比，QCBM表现出最佳的概括性能，以产生看不见和有效的模式。最后，我们评估了QCBM不仅可以概括有效特征的能力，而且还评估了根据充分偏见分布分布的高质量斑点。我们看到，QCBM能够有效地学习偏见并产生比培训集中的质量更高的看不见的样本。据我们所知，这是文献中的第一部作品，该作品将QCBM的概括性能作为量子生成模型的积分评估度量标准，并证明了QCBM将其推广到高质量的，所需的新型样品的能力。

Quantum machine learning (QML) has received increasing attention due to its potential to outperform classical machine learning methods in various problems. A subclass of QML methods is quantum generative adversarial networks (QGANs) which have been studied as a quantum counterpart of classical GANs widely used in image manipulation and generation tasks. The existing work on QGANs is still limited to small-scale proof-of-concept examples based on images with significant down-scaling. Here we integrate classical and quantum techniques to propose a new hybrid quantum-classical GAN framework. We demonstrate its superior learning capabilities by generating $28 \times 28$ pixels grey-scale images without dimensionality reduction or classical pre/post-processing on multiple classes of the standard MNIST and Fashion MNIST datasets, which achieves comparable results to classical frameworks with 3 orders of magnitude less trainable generator parameters. To gain further insight into the working of our hybrid approach, we systematically explore the impact of its parameter space by varying the number of qubits, the size of image patches, the number of layers in the generator, the shape of the patches and the choice of prior distribution. Our results show that increasing the quantum generator size generally improves the learning capability of the network. The developed framework provides a foundation for future design of QGANs with optimal parameter set tailored for complex image generation tasks.

近年来，机器学习的巨大进步已经开始对许多科学和技术的许多领域产生重大影响。在本文的文章中，我们探讨了量子技术如何从这项革命中受益。我们在说明性示例中展示了过去几年的科学家如何开始使用机器学习和更广泛的人工智能方法来分析量子测量，估计量子设备的参数，发现新的量子实验设置，协议和反馈策略，以及反馈策略，以及通常改善量子计算，量子通信和量子模拟的各个方面。我们重点介绍了公开挑战和未来的可能性，并在未来十年的一些投机愿景下得出结论。

量子力学的内在概率性质引起了设计量子生成学习模型（QGLM）的努力。尽管取得了经验成就，但QGLMS的基础和潜在优势仍然在很大程度上晦涩难懂。为了缩小这一知识差距，我们在这里探索QGLM的概括属性，即将模型从学习的数据扩展到未知数据的能力。我们考虑两个典型的QGLM，量子电路出生的机器和量子生成的对抗网络，并明确地给出了它们的概括界限。当量子设备可以直接访问目标分布并采用量子内核时，结果确定了QGLM的优势而不是经典方法。我们进一步采用这些泛化范围来在量子状态制备和哈密顿学习中具有潜在的优势。 QGLM在加载高斯分布和估计参数化的哈密顿量的基态方面的数值结果符合理论分析。我们的工作开辟了途径，以定量了解量子生成学习模型的力量。

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。

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。

现代量子机学习（QML）方法涉及在训练数据集上进行各种优化参数化量子电路，并随后对测试数据集（即，泛化）进行预测。在这项工作中，我们在培训数量为N $培训数据点后，我们在QML中对QML的普遍表现进行了全面的研究。我们表明，Quantum机器学习模型的泛化误差与$ T $培训门的尺寸在$ \ sqrt {t / n} $上缩放。当只有$ k \ ll t $ gates在优化过程中经历了大量变化时，我们证明了泛化误差改善了$ \ sqrt {k / n} $。我们的结果意味着将Unitaries编制到通常使用指数训练数据的量子计算行业的多项式栅极数量，这是一项通常使用指数尺寸训练数据的大量应用程序。我们还表明，使用量子卷积神经网络的相位过渡的量子状态的分类只需要一个非常小的训练数据集。其他潜在应用包括学习量子误差校正代码或量子动态模拟。我们的工作将新的希望注入QML领域，因为较少的培训数据保证了良好的概括。

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。

推理是绘制关于未观察变量的结论的任务，给出了相关变量的观察。应用范围从鉴定症状的疾病从价格转移到分类经济制度。遗憾的是，执行精确的推论通常是棘手的。一种替代方案是变分推理，其中优化了候选概率分布以近似于未观察变量的后部分布。为了良好的近似，希望灵活和高度表现力的候选分布。在这项工作中，我们将量子出生的机器用作离散变量的变形分布。我们应用操作员变异推理的框架来实现这一目标。特别是，我们采用了两种特定的实现：一个具有对抗的目标，一个基于肠道斯坦的差异。我们使用贝叶斯网络的示例进行了数控展示了方法，并在IBM量子计算机上实施实验。我们的技术能够实现高效的变分推理，其分布在经典计算机上有效地表示的分布。

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.

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。

The Hamiltonian of an isolated quantum mechanical system determines its dynamics and physical behaviour. This study investigates the possibility of learning and utilising a system's Hamiltonian and its variational thermal state estimation for data analysis techniques. For this purpose, we employ the method of Quantum Hamiltonian-Based Models for the generative modelling of simulated Large Hadron Collider data and demonstrate the representability of such data as a mixed state. In a further step, we use the learned Hamiltonian for anomaly detection, showing that different sample types can form distinct dynamical behaviours once treated as a quantum many-body system. We exploit these characteristics to quantify the difference between sample types. Our findings show that the methodologies designed for field theory computations can be utilised in machine learning applications to employ theoretical approaches in data analysis techniques.

基于内核的量子分类器是用于复杂数据的超线化分类的最有趣，最强大的量子机学习技术，可以在浅深度量子电路（例如交换测试分类器）中轻松实现。出乎意料的是，通过引入差异方案，可以将支持向量机固有而明确地实现，以将SVM理论的二次优化问题映射到量子古典的变分优化问题。该方案使用参数化的量子电路（PQC）实现，以创建一个不均匀的权重向量，以索引量子位，可以在线性时间内评估训练损失和分类得分。我们训练该变量量子近似支持向量机（VQASVM）的经典参数，该参数可以转移到其他VQASVM决策推理电路的许多副本中，以分类新查询数据。我们的VQASVM算法对基于云的量子计算机的玩具示例数据集进行了实验，以进行可行性评估，并进行了数值研究以评估其在标准的IRIS花朵数据集上的性能。虹膜数据分类的准确性达到98.8％。

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。