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Erschienen in: Quantum Information Processing 10/2017

01.10.2017

A quantum-implementable neural network model

verfasst von: Jialin Chen, Lingli Wang, Edoardo Charbon

Erschienen in: Quantum Information Processing | Ausgabe 10/2017

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Abstract

A quantum-implementable neural network, namely quantum probability neural network (QPNN) model, is proposed in this paper. QPNN can use quantum parallelism to trace all possible network states to improve the result. Due to its unique quantum nature, this model is robust to several quantum noises under certain conditions, which can be efficiently implemented by the qubus quantum computer. Another advantage is that QPNN can be used as memory to retrieve the most relevant data and even to generate new data. The MATLAB experimental results of Iris data classification and MNIST handwriting recognition show that much less neuron resources are required in QPNN to obtain a good result than the classical feedforward neural network. The proposed QPNN model indicates that quantum effects are useful for real-life classification tasks.

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Literatur
1.
Zurück zum Zitat Nielsen, M., Chuang, I.: Quantum Computation and Quantum Information. Cambridge University Press, Cambridge (2000)MATH Nielsen, M., Chuang, I.: Quantum Computation and Quantum Information. Cambridge University Press, Cambridge (2000)MATH
2.
Zurück zum Zitat Shor, P.: Polynomial-time algorithms for prime factorization and discrete logarithms on a quantum computer. SIAM J. Comput. 26(5), 1484–1509 (1997)MathSciNetCrossRefMATH Shor, P.: Polynomial-time algorithms for prime factorization and discrete logarithms on a quantum computer. SIAM J. Comput. 26(5), 1484–1509 (1997)MathSciNetCrossRefMATH
3.
Zurück zum Zitat Childs, A.M., Landahl, A.J., Parrilo, P.A.: Quantum algorithms for the ordered search problem via semidefinite programming. Phys. Rev. A 75, 032335 (2007)ADSCrossRef Childs, A.M., Landahl, A.J., Parrilo, P.A.: Quantum algorithms for the ordered search problem via semidefinite programming. Phys. Rev. A 75, 032335 (2007)ADSCrossRef
4.
Zurück zum Zitat Farhi, E., Goldstone, J., Gutmann, S., Lapan, J., Lundgren, A., Preda, D.: A quantum adiabatic evolution algorithm applied to random instances of an NP-complete problem. Science 292, 472 (2001)ADSMathSciNetCrossRefMATH Farhi, E., Goldstone, J., Gutmann, S., Lapan, J., Lundgren, A., Preda, D.: A quantum adiabatic evolution algorithm applied to random instances of an NP-complete problem. Science 292, 472 (2001)ADSMathSciNetCrossRefMATH
5.
Zurück zum Zitat Murphy, K.P.: Machine Learning: A Probabilistic Perspective. MIT Press, Cambridge (2012)MATH Murphy, K.P.: Machine Learning: A Probabilistic Perspective. MIT Press, Cambridge (2012)MATH
7.
Zurück zum Zitat Schuld, M., Sinayskiy, I., Petruccione, F.: An introduction to quantum machine learning. Contemp. Phys. 56(2), 172–185 (2015)ADSCrossRefMATH Schuld, M., Sinayskiy, I., Petruccione, F.: An introduction to quantum machine learning. Contemp. Phys. 56(2), 172–185 (2015)ADSCrossRefMATH
9.
Zurück zum Zitat Wiebe, N., Braun, D., Lloyd, S.: Quantum algorithm for data fitting. Phys. Rev. Lett. 109, 050505 (2012)ADSCrossRef Wiebe, N., Braun, D., Lloyd, S.: Quantum algorithm for data fitting. Phys. Rev. Lett. 109, 050505 (2012)ADSCrossRef
10.
Zurück zum Zitat Lloyd, S., Mohseni, M., Rebentrost, P.: Quantum algorithms for supervised and unsupervised machine learning (2013). arXiv:1307.0411 Lloyd, S., Mohseni, M., Rebentrost, P.: Quantum algorithms for supervised and unsupervised machine learning (2013). arXiv:​1307.​0411
11.
Zurück zum Zitat Menneer, T., Narayanan, A.: Quantum artificial neural networks vs classical artificial neural networks: experiments in simulation. In: Proceedings of the IEEE Fourth International Conference on Computational Intelligence and Neuroscience, pp. 757–759 (2000) Menneer, T., Narayanan, A.: Quantum artificial neural networks vs classical artificial neural networks: experiments in simulation. In: Proceedings of the IEEE Fourth International Conference on Computational Intelligence and Neuroscience, pp. 757–759 (2000)
13.
Zurück zum Zitat Pagiamtis, K., Sheikholeslami, A.: Content-addressable memory (CAM) circuits and architectures: a tutorial and survey. IEEE J. Solid State Circuits 41(3), 712–727 (2006)CrossRef Pagiamtis, K., Sheikholeslami, A.: Content-addressable memory (CAM) circuits and architectures: a tutorial and survey. IEEE J. Solid State Circuits 41(3), 712–727 (2006)CrossRef
14.
Zurück zum Zitat Behrman, E.C., Nash, L.R., Steck, J.E., Chandrashekar, A.A., Skinner, S.R.: Simulations of quantum neural networks. Inf. Sci. 128(3), 257–269 (2000)MathSciNetCrossRefMATH Behrman, E.C., Nash, L.R., Steck, J.E., Chandrashekar, A.A., Skinner, S.R.: Simulations of quantum neural networks. Inf. Sci. 128(3), 257–269 (2000)MathSciNetCrossRefMATH
15.
Zurück zum Zitat Panella, M., Martinelli, G.: Neural networks with quantum architecture and quantum learning. Int. J. Circuit Theory Appl. 39, 61–77 (2011)CrossRefMATH Panella, M., Martinelli, G.: Neural networks with quantum architecture and quantum learning. Int. J. Circuit Theory Appl. 39, 61–77 (2011)CrossRefMATH
16.
Zurück zum Zitat Schuld, M., Sinayskiy, I., Petruccione, F.: The quest for A quantum neural network. Quantum Inf. Process. 13(11), 2567–2586 (2014)MathSciNetCrossRefMATH Schuld, M., Sinayskiy, I., Petruccione, F.: The quest for A quantum neural network. Quantum Inf. Process. 13(11), 2567–2586 (2014)MathSciNetCrossRefMATH
17.
Zurück zum Zitat Sahni, V., Patvardhan, C.: Iris data classification using quantum neural networks. In: AIP Conference Proceedings, vol. 864, p. 219 (2006) Sahni, V., Patvardhan, C.: Iris data classification using quantum neural networks. In: AIP Conference Proceedings, vol. 864, p. 219 (2006)
18.
Zurück zum Zitat Fei, L., Baoyu Z.: A study of quantum neural networks. In: IEEE International Conference on Neural Networks and Signal Processing, December (2003) Fei, L., Baoyu Z.: A study of quantum neural networks. In: IEEE International Conference on Neural Networks and Signal Processing, December (2003)
19.
Zurück zum Zitat Weinberg, S.: Precision tests of quantum mechanics. Phys. Rev. Lett. 62, 485–488 (1989)ADSCrossRef Weinberg, S.: Precision tests of quantum mechanics. Phys. Rev. Lett. 62, 485–488 (1989)ADSCrossRef
20.
Zurück zum Zitat Silva, A.J.D., Ludermir, T.B., Oliveira, W.R.D.: Quantum perceptron over a field and neural network architecture selection in a quantum computer. Neural Netw. 76, 55–64 (2016)CrossRef Silva, A.J.D., Ludermir, T.B., Oliveira, W.R.D.: Quantum perceptron over a field and neural network architecture selection in a quantum computer. Neural Netw. 76, 55–64 (2016)CrossRef
21.
24.
Zurück zum Zitat Chen, J., Wang, L., Charbon, E., Wang, B.: A programmable architecture for quantum computing. Phys. Rev. A 88, 022311 (2013)ADSCrossRef Chen, J., Wang, L., Charbon, E., Wang, B.: A programmable architecture for quantum computing. Phys. Rev. A 88, 022311 (2013)ADSCrossRef
25.
Zurück zum Zitat Brown, K.L., Thesis, P.D.: Using the Qubus for Quantum Computing. University of Leeds, Leeds (2011) Brown, K.L., Thesis, P.D.: Using the Qubus for Quantum Computing. University of Leeds, Leeds (2011)
27.
Zurück zum Zitat Jesse, A.: Garman: A Heuristic Review of Quantum Neural Networks, master paper of Imperial College London (2011) Jesse, A.: Garman: A Heuristic Review of Quantum Neural Networks, master paper of Imperial College London (2011)
29.
Zurück zum Zitat Spiller, T.P., Nemoto, K., Braunstein, S.L., Munro, W.J., van Loock, P., Milburn, G.J.: Quantum computation by communication. New J. Phys. 8, 30 (2006)ADSCrossRef Spiller, T.P., Nemoto, K., Braunstein, S.L., Munro, W.J., van Loock, P., Milburn, G.J.: Quantum computation by communication. New J. Phys. 8, 30 (2006)ADSCrossRef
30.
Zurück zum Zitat Raussendorf, R., Briegel, H.J.: A one-way quantum computer. Phys. Rev. Lett. 86, 5188 (2001)ADSCrossRef Raussendorf, R., Briegel, H.J.: A one-way quantum computer. Phys. Rev. Lett. 86, 5188 (2001)ADSCrossRef
31.
Zurück zum Zitat Raussendorf, R., Browne, D.E., Briegel, H.J.: Measurement-based quantum computation with cluster states. Phys. Rev. A 68, 022312 (2003)ADSCrossRef Raussendorf, R., Browne, D.E., Briegel, H.J.: Measurement-based quantum computation with cluster states. Phys. Rev. A 68, 022312 (2003)ADSCrossRef
32.
Zurück zum Zitat Shende, V.V., Bullock, S.S., Markov, I.L.: Synthesis of quantum logic circuits. In: IEEE Transaction on CAD, vol. 25, no. 6 (2006) Shende, V.V., Bullock, S.S., Markov, I.L.: Synthesis of quantum logic circuits. In: IEEE Transaction on CAD, vol. 25, no. 6 (2006)
33.
Zurück zum Zitat Shwartz, S.S., David, S.B.: Understanding Machine Learning. Cambridge University Press, Cambridge (2014)CrossRefMATH Shwartz, S.S., David, S.B.: Understanding Machine Learning. Cambridge University Press, Cambridge (2014)CrossRefMATH
34.
Zurück zum Zitat Deng, L.: The MNIST database of handwritten digit images for machine learning research. IEEE Signal Process. Mag. 29, 141 (2012)ADSCrossRef Deng, L.: The MNIST database of handwritten digit images for machine learning research. IEEE Signal Process. Mag. 29, 141 (2012)ADSCrossRef
Metadaten
Titel
A quantum-implementable neural network model
verfasst von
Jialin Chen
Lingli Wang
Edoardo Charbon
Publikationsdatum
01.10.2017
Verlag
Springer US
Erschienen in
Quantum Information Processing / Ausgabe 10/2017
Print ISSN: 1570-0755
Elektronische ISSN: 1573-1332
DOI
https://doi.org/10.1007/s11128-017-1692-x

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