复杂的高尺寸概率分布的高效采样是计算科学中的核心任务。机器学习方法，如自动增加神经网络，与马尔可夫链蒙特卡罗采样一起使用，为这种分布提供良好的近似，但遭受内在偏差或高方差。在这封信中，我们提出了一种方法来使这种近似不偏不倚，方差低。我们的方法使用物理对称和可变大小的群集更新，它利用自回归分解的结构。我们测试我们的古典自旋系统的第一阶和二阶相变的方法，显示其对关键系统和亚稳态存在的可行性。
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We apply the Hierarchical Autoregressive Neural (HAN) network sampling algorithm to the two-dimensional $Q$-state Potts model and perform simulations around the phase transition at $Q=12$. We quantify the performance of the approach in the vicinity of the first-order phase transition and compare it with that of the Wolff cluster algorithm. We find a significant improvement as far as the statistical uncertainty is concerned at a similar numerical effort. In order to efficiently train large neural networks we introduce the technique of pre-training. It allows to train some neural networks using smaller system sizes and then employing them as starting configurations for larger system sizes. This is possible due to the recursive construction of our hierarchical approach. Our results serve as a demonstration of the performance of the hierarchical approach for systems exhibiting bimodal distributions. Additionally, we provide estimates of the free energy and entropy in the vicinity of the phase transition with statistical uncertainties of the order of $10^{-7}$ for the former and $10^{-3}$ for the latter based on a statistics of $10^6$ configurations.
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我们提供了对神经马尔可夫链蒙特卡罗模拟中的自相关的深度研究，该版本的传统大都会算法采用神经网络来提供独立的建议。我们使用二维ising模型说明了我们的想法。我们提出了几次自相关时间的估算，其中一些灵感来自于为大都市独立采样器导出的分析结果，我们将其与逆温度$ \ Beta $的函数进行比较和研究。基于我们提出替代损失功能，并研究其对自动系列的影响。此外，我们调查对自动相关时间的神经网络培训过程中强加系统对称（$ Z_2 $和/或翻译）的影响。最终，我们提出了一种包含局部热浴更新的方案。讨论了上述增强功能的影响为16美元16美元旋转系统。我们的调查结果摘要可以作为实施更复杂模型的神经马尔可夫链蒙特卡罗模拟的指导。
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由于希尔伯特空间的指数增长，模拟古典计算机上的量子数量是一个具有挑战性的问题。最近被引入了人工神经网络作为近似量子 - 许多身体状态的新工具。我们基准限制Boltzmann机器量子状态和不同浅层神经自动汇流量子状态的变分力，以模拟不可排益量子依赖链的全局淬火动态。我们发现在给定精度以给定精度表示量子状态所需的参数的数量呈指数增长。增长率仅受到广泛不同设计选择的网络架构的略微影响：浅层和深度网络，小型和大型过滤尺寸，扩张和正常卷积，有和没有快捷连接。
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基于标准化流的算法是由于有希望的机器学习方法，以便以可以使渐近精确的方式采样复杂的概率分布。在格子场理论的背景下，原则上的研究已经证明了这种方法对标量理论，衡量理论和统计系统的有效性。这项工作开发了能够使用动力学蜕皮的基于流动的理论采样的方法，这对于应用于粒子物理标准模型和许多冷凝物系的晶格场理论研究是必要的。作为一种实践演示，这些方法应用于通过Yukawa相互作用耦合到标量场的无大量交错的费米子的二维理论的现场配置的采样。
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我们训练神经形态硬件芯片以通过变分能最小化近似Quantum旋转模型的地面状态。与使用马尔可夫链蒙特卡罗进行样品生成的变分人工神经网络相比，这种方法具有优点：神经形态器件以快速和固有的并行方式产生样品。我们开发培训算法，并将其应用于横向场介绍模型，在中等系统尺寸下显示出良好的性能（$ n \ LEQ 10 $）。系统的普遍开心研究表明，较大系统尺寸的可扩展性主要取决于样品质量，该样品质量受到模拟神经芯片上的参数漂移的限制。学习性能显示阈值行为作为ansatz的变分参数的数量的函数，大约为50美元的隐藏神经元，足以表示关键地位，最高$ n = 10 $。网络参数的6 + 1位分辨率不会限制当前设置中的可达近似质量。我们的工作为利用神经形态硬件的能力提供了一种重要的一步，以解决量子数量问题中的维数诅咒。
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优化在离散变量上的高度复杂的成本/能源功能是不同科学学科和行业的许多公开问题的核心。一个主要障碍是在硬实例中的某些变量子集之间的出现，导致临界减慢或集体冻结了已知的随机本地搜索策略。通常需要指数计算工作来解冻这种变量，并探索配置空间的其他看不见的区域。在这里，我们通过开发自适应梯度的策略来介绍一个量子启发的非本球非识别蒙特卡罗（NMC）算法，可以有效地学习成本函数的关键实例的几何特征。该信息随行使用，以构造空间不均匀的热波动，用于以各种长度尺度集体未填充变量，规避昂贵的勘探与开发权衡。我们将算法应用于两个最具挑战性的组合优化问题：随机k可满足（K-SAT）附近计算阶段转换和二次分配问题（QAP）。我们在专业的确定性求解器和通用随机求解器上观察到显着的加速和鲁棒性。特别是，对于90％的随机4-SAT实例，我们发现了最佳专用确定性算法无法访问的解决方案，该算法（SP）具有最强的10％实例的解决方案质量的大小提高。我们还通过最先进的通用随机求解器（APT）显示出在最先进的通用随机求解器（APT）上的时间到溶液的两个数量级改善。
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机器学习，特别是深度学习方法在许多模式识别和数据处理问题，游戏玩法中都优于人类的能力，现在在科学发现中也起着越来越重要的作用。机器学习在分子科学中的关键应用是通过使用密度函数理论，耦合群或其他量子化学方法获得的电子schr \“ odinger方程的Ab-Initio溶液中的势能表面或力场。我们回顾了一种最新和互补的方法：使用机器学习来辅助从第一原理中直接解决量子化学问题。具体来说，我们专注于使用神经网络ANSATZ功能的量子蒙特卡洛（QMC）方法，以解决电子SCHR \ “ Odinger方程在第一和第二量化中，计算场和激发态，并概括多个核构型。与现有的量子化学方法相比，这些新的深QMC方法具有以相对适度的计算成本生成高度准确的Schr \“ Odinger方程的溶液。
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我们证明，任何矩阵产品状态（MP）可以通过线性内存更新的复发神经网络（RNN）来精确表示。我们使用多线性内存更新将此RNN体系结构推广到2D晶格。它支持在多项式时间内的完美采样和波功能评估，并且可以代表纠缠熵的区域定律。数值证据表明，与MPS相比，它可以使用键尺寸较低的键尺寸编码波函数，其精度可以通过增加键尺寸来系统地改善。
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受限的玻尔兹曼机器（RBMS）提供了一种用于无监督的机器学习的多功能体系结构，原则上可以以任意准确性近似任何目标概率分布。但是，RBM模型通常由于其计算复杂性而无法直接访问，并调用了Markov-Chain采样以分析学习概率分布。因此，对于培训和最终应用，希望拥有既准确又有效的采样器。我们强调，这两个目标通常相互竞争，无法同时实现。更具体地说，我们确定并定量地表征了RBM学习的三个制度：独立学习，精度提高而不会失去效率；相关学习，较高的精度需要较低的效率；和退化，精度和效率都不再改善甚至恶化。这些发现基于数值实验和启发式论点。
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我们介绍了Netket的版本3，机器学习工具箱适用于许多身体量子物理学。Netket围绕神经网络量子状态构建，并为其评估和优化提供有效的算法。这个新版本是基于JAX的顶部，一个用于Python编程语言的可差分编程和加速的线性代数框架。最重要的新功能是使用机器学习框架的简明符号来定义纯Python代码中的任意神经网络ANS \“凝固的可能性，这允许立即编译以及渐变的隐式生成自动化。Netket 3还带来了GPU和TPU加速器的支持，对离散对称组的高级支持，块以缩放多程度的自由度，Quantum动态应用程序的驱动程序，以及改进的模块化，允许用户仅使用部分工具箱是他们自己代码的基础。
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我们提出了连续重复的退火流传输蒙特卡洛（CRAFT），该方法结合了顺序的蒙特卡洛（SMC）采样器（本身是退火重要性采样的概括）与使用归一化流量的变异推断。直接训练了归一化的流量，可用于使用KL差异进行每个过渡，以在退火温度之间运输。使用归一化流/SMC近似值估算了此优化目标。我们从概念上展示并使用多个经验示例，这些示例可以改善退火流运输蒙特卡洛（Arbel等，2021），并在其上建造，也可以在基于马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）基于基于的随机归一化流（Wu等人。2020）。通过将工艺纳入粒子MCMC中，我们表明，这种学识渊博的采样器可以在具有挑战性的晶格场理论示例中获得令人印象深刻的准确结果。
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标准化流量是一类深生成模型，比传统的蒙特卡洛模拟更有效地为晶格场理论提供了有希望的途径。在这项工作中，我们表明，随机归一化流的理论框架，其中神经网络层与蒙特卡洛更新结合在一起，与基于jarzynski平等的不平衡模拟的基础相同，这些模拟最近已被部署以计算计算晶格计理论的自由能差异。我们制定了一种策略，以优化这种扩展类别的生成模型的效率和应用程序的示例。
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To simulate bosons on a qubit- or qudit-based quantum computer, one has to regularize the theory by truncating infinite-dimensional local Hilbert spaces to finite dimensions. In the search for practical quantum applications, it is important to know how big the truncation errors can be. In general, it is not easy to estimate errors unless we have a good quantum computer. In this paper we show that traditional sampling methods on classical devices, specifically Markov Chain Monte Carlo, can address this issue with a reasonable amount of computational resources available today. As a demonstration, we apply this idea to the scalar field theory on a two-dimensional lattice, with a size that goes beyond what is achievable using exact diagonalization methods. This method can be used to estimate the resources needed for realistic quantum simulations of bosonic theories, and also, to check the validity of the results of the corresponding quantum simulations.
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我们开发了一种多尺度方法，以从实验或模拟中观察到的物理字段或配置的数据集估算高维概率分布。通过这种方式，我们可以估计能量功能（或哈密顿量），并有效地在从统计物理学到宇宙学的各个领域中生成多体系统的新样本。我们的方法 - 小波条件重新归一化组（WC-RG） - 按比例进行估算，以估算由粗粒磁场来调节的“快速自由度”的条件概率的模型。这些概率分布是由与比例相互作用相关的能量函数建模的，并以正交小波为基础表示。 WC-RG将微观能量函数分解为各个尺度上的相互作用能量之和，并可以通过从粗尺度到细度来有效地生成新样品。近相变，它避免了直接估计和采样算法的“临界减速”。理论上通过结合RG和小波理论的结果来解释这一点，并为高斯和$ \ varphi^4 $字段理论进行数值验证。我们表明，多尺度WC-RG基于能量的模型比局部电位模型更通用，并且可以在所有长度尺度上捕获复杂的多体相互作用系统的物理。这是针对反映宇宙学中暗物质分布的弱透镜镜头的，其中包括与长尾概率分布的长距离相互作用。 WC-RG在非平衡系统中具有大量的潜在应用，其中未知基础分布{\ it先验}。最后，我们讨论了WC-RG和深层网络体系结构之间的联系。
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我们提出了一种新型的机器学习方法，用于从晶格量子场理论的高维概率分布中取样。我们的建议不是迄今为止用于此任务的深层体系结构，而是基于单个神经效果层，并结合了问题的完整对称性。我们在$ \ phi^4 $理论上测试了我们的模型，这表明它系统地优于先前提出的采样效率基于流动的方法，并且对于较大的晶格而言，改进尤其明显。与以前的基线模型相比，我们将关键指标（有效样本量）提高了，从1％到91％，尺寸为$ 32 \ times 32 $。我们还证明，我们的模型可以成功学习一个连续的理论家庭，并且可以将学习结果转移到更大的晶格中。与传统的基于MCMC的方法相比，这种概括能力进一步突出了机器学习方法的潜在优势。
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我们提出了一种算法，以估计反向和前向kullback-leibler差异的路径梯度，以明显可逆地归一流。与标准的总梯度估计器相比，所得的路径梯度估计器可直接实施，具有较低的差异，不仅可以提高训练的速度更快，而且导致总体近似结果更好。我们还证明，路径梯度训练不太容易受到模式折叠的影响。鉴于我们的结果，我们期望路径梯度估计器将成为训练归一化流量的新标准方法。
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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.
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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。
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基于采样的推理技术是现代宇宙学数据分析的核心;然而，这些方法与维度不良，通常需要近似或顽固的可能性。在本文中，我们描述了截短的边际神经比率估计（TMNRE）（即所谓的基于模拟的推断的新方法）自然避免了这些问题，提高了$（i）$效率，$（ii）$可扩展性和$ （iii）推断后的后续后续的可信度。使用宇宙微波背景（CMB）的测量，我们表明TMNRE可以使用比传统马尔可夫链蒙特卡罗（MCMC）方法更少模拟器呼叫的数量级来实现融合的后海后。值得注意的是，所需数量的样本有效地独立于滋扰参数的数量。此外，称为\ MEMPH {本地摊销}的属性允许对基于采样的方法无法访问的严格统计一致性检查的性能。 TMNRE承诺成为宇宙学数据分析的强大工具，特别是在扩展宇宙学的背景下，其中传统的基于采样的推理方法所需的时间级数融合可以大大超过$ \ Lambda $ CDM等简单宇宙学模型的时间。为了执行这些计算，我们使用开源代码\ texttt {swyft}来使用TMNRE的实现。
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