Google重磅發(fā)布開(kāi)源庫(kù)TFQ，快速建立量子機(jī)器學(xué)習(xí)模型

（文章來(lái)源：AI科技大本營(yíng)）

近日，Google 與滑鐵盧大學(xué)、大眾汽車等聯(lián)合發(fā)布 TensorFlow Quantum（TFQ），一個(gè)可快速建立量子機(jī)器學(xué)習(xí)模型原型的開(kāi)源庫(kù)。TFQ提供了必要的工具，將量子計(jì)算和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，以控制并建模自然或人工的量子計(jì)算系統(tǒng)。雖然機(jī)器學(xué)習(xí)不能完全模擬自然界的系統(tǒng)，但是它能夠?qū)W習(xí)這些系統(tǒng)的模型并預(yù)測(cè)系統(tǒng)的行為。

在過(guò)去的幾年里，傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)模型已在處理具有挑戰(zhàn)性的科學(xué)問(wèn)題上初露鋒芒，并促進(jìn)了人類在癌癥檢測(cè)、圖像處理、地震預(yù)測(cè)、極端天氣預(yù)測(cè)和新系外行星探測(cè)方面的進(jìn)步。近年來(lái)隨著量子計(jì)算的發(fā)展，新量子機(jī)器學(xué)習(xí)模型的發(fā)展已開(kāi)始對(duì)世界重大問(wèn)題產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，并有望讓人類在醫(yī)學(xué)、材料、傳感和通信領(lǐng)域取得突破。然而，到目前為止，我們?nèi)匀蝗狈ο鄳?yīng)的研究工具來(lái)發(fā)現(xiàn)有用的量子機(jī)器學(xué)習(xí)模型——這些模型可以處理基于量子的數(shù)據(jù)，并在量子計(jì)算機(jī)上執(zhí)行任務(wù)。

而如今，TFQ 通過(guò)提供與現(xiàn)有 TensorFlow API 兼容的量子計(jì)算基本要素以及高性能量子電路模擬器，將量子計(jì)算開(kāi)源框架 Cirq 與 TensorFlow 集成在一起，為傳統(tǒng)的判別和生成量子模型的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)提供了高層的抽象。什么是量子機(jī)器學(xué)習(xí)模型？量子模型具有以量子力學(xué)來(lái)表示和概括數(shù)據(jù)的能力。然而，為了理解量子模型，首先必須明確兩個(gè)概念：量子數(shù)據(jù)和量子-經(jīng)典混合模型（hybrid quantum-classical model）。量子數(shù)據(jù)具有疊加和糾纏的特性，因此其聯(lián)合概率分布需要大量傳統(tǒng)的計(jì)算資源來(lái)表示或存儲(chǔ)。量子數(shù)據(jù)可以在量子處理器、傳感器、網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生和模擬，包括化學(xué)物質(zhì)和量子物質(zhì)的模擬、量子控制、量子通信網(wǎng)絡(luò)、量子計(jì)量學(xué)等等。

從技術(shù)上來(lái)說(shuō)，由 NISQ 處理器生成的量子數(shù)據(jù)具有關(guān)鍵的特性：嘈雜，且通常在測(cè)量之前就出現(xiàn)了糾纏。然而，將量子機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用到嘈雜的糾纏量子數(shù)據(jù)可以最大程度地提取有用的經(jīng)典信息。受這些技術(shù)的啟發(fā)，TFQ 庫(kù)提供了開(kāi)發(fā)模型的原語(yǔ)，這些模型可用于解糾纏和泛化量子數(shù)據(jù)中的相關(guān)性，從而為改進(jìn)現(xiàn)有量子算法或發(fā)現(xiàn)新的量子算法提供了機(jī)會(huì)。

第二個(gè)需要引入的概念是量子-經(jīng)典混合模型。由于近來(lái)的量子處理器仍然相對(duì)較小，且很嘈雜，因此量子模型不能僅依賴量子處理器——NISQ 處理器需要和經(jīng)典處理器配合，才能變得高效。由于TensorFlow支持跨CPU、GPU和TPU的異構(gòu)計(jì)算，因此它是試驗(yàn)量子-經(jīng)典混合算法的首選平臺(tái)。

TFQ包含量子計(jì)算所需的基本結(jié)構(gòu)，比如量子比特、門(mén)、電路以及測(cè)量運(yùn)算符等。用戶指定的量子計(jì)算可在模擬的環(huán)境以及真實(shí)的硬件上執(zhí)行。Cirq 還包含大量的構(gòu)件，用以幫助用戶為 NISQ 處理器設(shè)計(jì)高效的算法，從而讓量子-經(jīng)典混合算法的實(shí)現(xiàn)能在量子電路模擬器上運(yùn)行，最終在量子處理器上運(yùn)行。目前，Google 已將 TFQ 用于實(shí)現(xiàn)量子-經(jīng)典卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以及用于量子控制的機(jī)器學(xué)習(xí)、用于量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分層學(xué)習(xí)、量子動(dòng)力學(xué)學(xué)習(xí)、混合量子態(tài)的生成建模以及經(jīng)典的遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。Google 提供了這些量子應(yīng)用的概覽，每個(gè)示例都可以通過(guò) Colab 在瀏覽器中運(yùn)行。

TFQ如何工作？研究人員可以利用TFQ 在單個(gè)計(jì)算圖中構(gòu)建量子數(shù)據(jù)集、量子模型以及作為張量的經(jīng)典控制參數(shù)。引發(fā)經(jīng)典概率事件的量子測(cè)量的結(jié)果可由TensorFlow Ops 獲得。而 TFQ 訓(xùn)練可以使用標(biāo)準(zhǔn)的 Keras 函數(shù)進(jìn)行。為了方便大家理解量子數(shù)據(jù)的使用，Google 提供了使用量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)量子狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)督分類的說(shuō)明。與經(jīng)典機(jī)器學(xué)習(xí)一樣，量子機(jī)器學(xué)習(xí)所面臨的關(guān)鍵性挑戰(zhàn)在于如何對(duì) “噪聲數(shù)據(jù)” 進(jìn)行分類。如果想構(gòu)建和訓(xùn)練這樣的模型，研究人員可以執(zhí)行以下操作：

1. 準(zhǔn)備一個(gè)量子數(shù)據(jù)集，量子數(shù)據(jù)作為張量（多維數(shù)組）來(lái)加載。每個(gè)量子數(shù)據(jù)張量都指定為用Cirq編寫(xiě)的量子電路。這個(gè)電路可實(shí)時(shí)生成量子數(shù)據(jù)， 張量由TensorFlow在量子計(jì)算機(jī)上執(zhí)行，用來(lái)生成量子數(shù)據(jù)集。

2. 評(píng)估一個(gè)量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，研究人員可以使用Cirq建立量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的原型，然后將其嵌入到TensorFlow計(jì)算圖中?；趯?duì)量子數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的了解，可以從幾個(gè)大類中選擇參數(shù)化的量子模型。這個(gè)模型的目標(biāo)是執(zhí)行量子處理，用來(lái)提取隱藏在典型的糾纏態(tài)下的信息。換句話說(shuō)，量子模型實(shí)質(zhì)上是對(duì)輸入的量子數(shù)據(jù)進(jìn)行解糾纏，將隱藏的信息編碼在經(jīng)典的相關(guān)性中，從而使它們適用于本地測(cè)量和經(jīng)典后處理。

3. 樣本或平均值，量子態(tài)的測(cè)量需要以樣本的形式，從經(jīng)典隨機(jī)變量中提取經(jīng)典信息。來(lái)自該隨機(jī)變量值的分布，通常取決于量子態(tài)本身以及所測(cè)得的可觀測(cè)值。由于許多變分算法依賴于測(cè)量值的平均值（也稱為期望值），因此TFQ提供了在涉及步驟(1)和(2)的多次運(yùn)行中求平均值的方法。

4. 評(píng)估一個(gè)經(jīng)典的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，在經(jīng)典信息被提取出來(lái)后，它的格式就適合進(jìn)一步的經(jīng)典后處理。由于提取的信息可能被編碼為測(cè)量期望之間的經(jīng)典關(guān)聯(lián)，因此，研究人員可以使用經(jīng)典深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)提取這種關(guān)聯(lián)。

5. 評(píng)估成本函數(shù)，根據(jù)經(jīng)典后處理的結(jié)果，評(píng)估成本函數(shù)。這可以基于模型執(zhí)行分類任務(wù)的準(zhǔn)確性（如果量子數(shù)據(jù)被標(biāo)記），或者基于其他標(biāo)準(zhǔn)（如果任務(wù)是無(wú)監(jiān)督的）。

6. 評(píng)估梯度和更新參數(shù)，在評(píng)估了成本函數(shù)之后，應(yīng)按預(yù)期可降低成本的方向更新管道中的自由參數(shù)，這通常是通過(guò)梯度下降來(lái)執(zhí)行的。TFQ 的一個(gè)關(guān)鍵特性將是能夠同時(shí)訓(xùn)練和執(zhí)行多個(gè)量子電路。

TensorFlow 能夠在計(jì)算機(jī)集群之間并行化計(jì)算，并能夠在多核計(jì)算機(jī)上模擬相對(duì)較大的量子電路，因此能夠?qū)崿F(xiàn)TFQ的這一特性。此外，Goolge 團(tuán)隊(duì)還宣布開(kāi)放 qsim , 該模擬器能夠在 Goolge 云節(jié)點(diǎn)上在 111 秒內(nèi)模擬門(mén)深度為14的32量子位量子電路。該模擬器還特別針對(duì)多核 Intel 處理器進(jìn)行了優(yōu)化。Google 結(jié)合 TFQ，已在60分鐘內(nèi)在Google 云節(jié)點(diǎn)上以門(mén)深度 20 對(duì) 20 量子位的量子電路進(jìn)行了 100 萬(wàn)次電路仿真。
（責(zé)任編輯：fqj）