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Erschienen in: Quantum Information Processing 9/2020

01.08.2020

Quantum locally linear embedding for nonlinear dimensionality reduction

Erschienen in: Quantum Information Processing | Ausgabe 9/2020

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Abstract

Reducing the dimension of nonlinear data is crucial in data processing and visualization. The locally linear embedding algorithm (LLE) is specifically a representative nonlinear dimensionality reduction method with maintaining well the original manifold structure. In this paper, we present two implementations of the quantum locally linear embedding (QLLE) algorithm to perform the nonlinear dimensionality reduction on quantum devices. One implementation, the linear-algebra-based QLLE algorithm, utilizes quantum linear algebra subroutines to reduce the dimension of the given data. The other implementation, the variational quantum locally linear embedding (VQLLE) algorithm, utilizes a variational hybrid quantum-classical procedure to acquire the low-dimensional data. The classical LLE algorithm requires polynomial time complexity of N, where N is the global number of the original high-dimensional data. Compared with the classical LLE, the linear-algebra-based QLLE achieves quadratic speedup in the number and dimension of the given data. The VQLLE can be implemented on the near-term quantum devices in two different designs. In addition, the numerical experiments are presented to demonstrate that the two implementations in our work can achieve the procedure of locally linear embedding.

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Literatur
1.
Zurück zum Zitat Pearson, K.: LIII. On lines and planes of closest fit to systems of points in space. Lond. Edinb. Dublin Philos. Mag. J. Sci. 2(11), 559–572 (1901)MATHCrossRef Pearson, K.: LIII. On lines and planes of closest fit to systems of points in space. Lond. Edinb. Dublin Philos. Mag. J. Sci. 2(11), 559–572 (1901)MATHCrossRef
2.
Zurück zum Zitat Hotelling, H.: Analysis of a complex of statistical variables into principal components. J. Educ. Psychol. 24(6), 417 (1933)MATHCrossRef Hotelling, H.: Analysis of a complex of statistical variables into principal components. J. Educ. Psychol. 24(6), 417 (1933)MATHCrossRef
3.
Zurück zum Zitat Fisher, R.A.: The use of multiple measurements in taxonomic problems. Ann. Eugen. 7(2), 179–188 (1936)CrossRef Fisher, R.A.: The use of multiple measurements in taxonomic problems. Ann. Eugen. 7(2), 179–188 (1936)CrossRef
4.
Zurück zum Zitat He, X., Zhang, C., Zhang, L., Li, X.: A-optimal projection for image representation. IEEE Trans. Pattern Anal. Mach. Intell. 38(5), 1009–1015 (2015)CrossRef He, X., Zhang, C., Zhang, L., Li, X.: A-optimal projection for image representation. IEEE Trans. Pattern Anal. Mach. Intell. 38(5), 1009–1015 (2015)CrossRef
5.
Zurück zum Zitat Roweis, S.T., Saul, L.K.: Nonlinear dimensionality reduction by locally linear embedding. Science 290(5500), 2323–2326 (2000)ADSCrossRef Roweis, S.T., Saul, L.K.: Nonlinear dimensionality reduction by locally linear embedding. Science 290(5500), 2323–2326 (2000)ADSCrossRef
6.
Zurück zum Zitat Nielsen, M.A., Chuang, I.: Quantum Computation and Quantum Information (Cambridge University Press, Cambridge, England) (2002). Nielsen, M.A., Chuang, I.: Quantum Computation and Quantum Information (Cambridge University Press, Cambridge, England) (2002).
7.
Zurück zum Zitat Harrow, A.W., Hassidim, A., Lloyd, S.: Quantum algorithm for linear systems of equations. Phys. Rev. Lett. 103(15), 150502 (2009)ADSMathSciNetCrossRef Harrow, A.W., Hassidim, A., Lloyd, S.: Quantum algorithm for linear systems of equations. Phys. Rev. Lett. 103(15), 150502 (2009)ADSMathSciNetCrossRef
9.
Zurück zum Zitat Rebentrost, P., Mohseni, M., Lloyd, S.: Quantum support vector machine for big data classification. Phys. Rev. Lett. 113(13), 130503 (2014)ADSCrossRef Rebentrost, P., Mohseni, M., Lloyd, S.: Quantum support vector machine for big data classification. Phys. Rev. Lett. 113(13), 130503 (2014)ADSCrossRef
10.
Zurück zum Zitat Wiebe, N., Braun, D., Lloyd, S.: Quantum algorithm for data fitting. Phys. Rev. Lett. 109(5), 050505 (2012)ADSCrossRef Wiebe, N., Braun, D., Lloyd, S.: Quantum algorithm for data fitting. Phys. Rev. Lett. 109(5), 050505 (2012)ADSCrossRef
11.
Zurück zum Zitat Schuld, M., Sinayskiy, I., Petruccione, F.: Prediction by linear regression on a quantum computer. Phys. Rev. A 94(2), 022342 (2016)ADSCrossRef Schuld, M., Sinayskiy, I., Petruccione, F.: Prediction by linear regression on a quantum computer. Phys. Rev. A 94(2), 022342 (2016)ADSCrossRef
12.
Zurück zum Zitat Amin, M.H., Andriyash, E., Rolfe, J., Kulchytskyy, B., Melko, R.: Quantum boltzmann machine. Phys. Rev. X 8(2), 021050 (2018) Amin, M.H., Andriyash, E., Rolfe, J., Kulchytskyy, B., Melko, R.: Quantum boltzmann machine. Phys. Rev. X 8(2), 021050 (2018)
14.
Zurück zum Zitat Dallaire-Demers, P.-L., Killoran, N.: Quantum generative adversarial networks. Phys. Rev. A 98(1), 012324 (2018)ADSCrossRef Dallaire-Demers, P.-L., Killoran, N.: Quantum generative adversarial networks. Phys. Rev. A 98(1), 012324 (2018)ADSCrossRef
15.
Zurück zum Zitat Peruzzo, A., McClean, J., Shadbolt, P., Yung, M.H., Zhou, X.Q., Love, P.J., Aspuru-Guzik, A., O’brien, J.L.: A variational eigenvalue solver on a photonic quantum processor. Nat. Commun. 5, 4213 (2014)ADSCrossRef Peruzzo, A., McClean, J., Shadbolt, P., Yung, M.H., Zhou, X.Q., Love, P.J., Aspuru-Guzik, A., O’brien, J.L.: A variational eigenvalue solver on a photonic quantum processor. Nat. Commun. 5, 4213 (2014)ADSCrossRef
16.
Zurück zum Zitat Higgott, O., Wang, D., Brierley, S.: Variational quantum computation of excited states. Quantum 3, 156 (2019)CrossRef Higgott, O., Wang, D., Brierley, S.: Variational quantum computation of excited states. Quantum 3, 156 (2019)CrossRef
17.
Zurück zum Zitat LaRose, R., Tikku, A., O’Neel-Judy, É., Cincio, L., Coles, P.J.: Variational quantum state diagonalization. npj Quantum Inf. 5(1), 8 (2019)CrossRef LaRose, R., Tikku, A., O’Neel-Judy, É., Cincio, L., Coles, P.J.: Variational quantum state diagonalization. npj Quantum Inf. 5(1), 8 (2019)CrossRef
18.
Zurück zum Zitat Lloyd, S., Mohseni, M., Rebentrost, P.: Quantum principal component analysis. Nat. Phys. 10(9), 631 (2014)CrossRef Lloyd, S., Mohseni, M., Rebentrost, P.: Quantum principal component analysis. Nat. Phys. 10(9), 631 (2014)CrossRef
19.
Zurück zum Zitat Cong, I., Duan, L.: Quantum discriminant analysis for dimensionality reduction and classification. New J. Phys. 18(7), 073011 (2016)ADSCrossRef Cong, I., Duan, L.: Quantum discriminant analysis for dimensionality reduction and classification. New J. Phys. 18(7), 073011 (2016)ADSCrossRef
20.
Zurück zum Zitat Duan, B., Yuan, J., Xu, J., Li, D.: Quantum algorithm and quantum circuit for a-optimal projection: Dimensionality reduction. Phys. Rev. A 99(3), 032311 (2019)ADSCrossRef Duan, B., Yuan, J., Xu, J., Li, D.: Quantum algorithm and quantum circuit for a-optimal projection: Dimensionality reduction. Phys. Rev. A 99(3), 032311 (2019)ADSCrossRef
21.
Zurück zum Zitat Dang, Y., Jiang, N., Hu, H., Ji, Z., Zhang, W.: Image classification based on quantum K-Nearest-Neighbor algorithm. Quantum Inf. Process. 17(9), 239 (2018)ADSMATHCrossRef Dang, Y., Jiang, N., Hu, H., Ji, Z., Zhang, W.: Image classification based on quantum K-Nearest-Neighbor algorithm. Quantum Inf. Process. 17(9), 239 (2018)ADSMATHCrossRef
23.
Zurück zum Zitat Barenco, A., Ekert, A., Suominen, K.A., Törmä, P.: Approximate quantum fourier transform and decoherence. Phys. Rev. A 54(1), 139 (1996)ADSMathSciNetCrossRef Barenco, A., Ekert, A., Suominen, K.A., Törmä, P.: Approximate quantum fourier transform and decoherence. Phys. Rev. A 54(1), 139 (1996)ADSMathSciNetCrossRef
26.
Zurück zum Zitat Buhrman, H., Cleve, R., Watrous, J., De Wolf, R.: Quantum fingerprinting. Phys. Rev. Lett. 87(16), 167902 (2001)ADSCrossRef Buhrman, H., Cleve, R., Watrous, J., De Wolf, R.: Quantum fingerprinting. Phys. Rev. Lett. 87(16), 167902 (2001)ADSCrossRef
27.
Zurück zum Zitat Schuld, M., Petruccione, F.: Supervised Learning with Quantum Computers, vol. 17. Springer, Berlin (2018)MATHCrossRef Schuld, M., Petruccione, F.: Supervised Learning with Quantum Computers, vol. 17. Springer, Berlin (2018)MATHCrossRef
28.
Zurück zum Zitat Dervovic, D., Herbster, M., Mountney, P., Severini, S., Usher, N., Wossnig, L.: Quantum linear systems algorithms: a primer (2018) arXiv:1802.08227 Dervovic, D., Herbster, M., Mountney, P., Severini, S., Usher, N., Wossnig, L.: Quantum linear systems algorithms: a primer (2018) arXiv:​1802.​08227
29.
Zurück zum Zitat Duan, B., Yuan, J., Liu, Y., Li, D.: Quantum algorithm for support matrix machines. Phys. Rev. A 96(3), 032301 (2017)ADSCrossRef Duan, B., Yuan, J., Liu, Y., Li, D.: Quantum algorithm for support matrix machines. Phys. Rev. A 96(3), 032301 (2017)ADSCrossRef
30.
Zurück zum Zitat Arya, S., Mount, D.M., Netanyahu, N.S., Silverman, R., Wu, A.Y.: An optimal algorithm for approximate nearest neighbor searching fixed dimensions. J. ACM (JACM) 45(6), 891–923 (1998) MathSciNetMATHCrossRef Arya, S., Mount, D.M., Netanyahu, N.S., Silverman, R., Wu, A.Y.: An optimal algorithm for approximate nearest neighbor searching fixed dimensions. J. ACM (JACM) 45(6), 891–923 (1998) MathSciNetMATHCrossRef
32.
Zurück zum Zitat Bravo-Prieto, C., LaRose, R., Cerezo, M., Subasi, Y., Cincio, L., Coles, P.J.: Variational quantum linear solver: A hybrid algorithm for linear systems (2019) arXiv:1909.05820 Bravo-Prieto, C., LaRose, R., Cerezo, M., Subasi, Y., Cincio, L., Coles, P.J.: Variational quantum linear solver: A hybrid algorithm for linear systems (2019) arXiv:​1909.​05820
35.
Zurück zum Zitat Havlíček, V., Córcoles, A.D., Temme, K., Harrow, A.W., Kandala, A., Chow, J.M., Gambetta, J.M.: Supervised learning with quantum-enhanced feature spaces. Nature 567(7747), 209 (2019) ADSCrossRef Havlíček, V., Córcoles, A.D., Temme, K., Harrow, A.W., Kandala, A., Chow, J.M., Gambetta, J.M.: Supervised learning with quantum-enhanced feature spaces. Nature 567(7747), 209 (2019) ADSCrossRef
36.
Zurück zum Zitat Pedregosa, F., Varoquaux, G., Gramfort, A., Michel, V., Thirion, B., Grisel, O., Blondel, M., Prettenhofer, P., Weiss, R., Dubourg, V., Vanderplas, J., Passos, A., Cournapeau, D., Brucher, M., Perrot, M., Duchesnay, E.: Scikit-learn: Machine Learning in Python. J. Mach. Learn. Res. 12, 2825 (2011)MathSciNetMATH Pedregosa, F., Varoquaux, G., Gramfort, A., Michel, V., Thirion, B., Grisel, O., Blondel, M., Prettenhofer, P., Weiss, R., Dubourg, V., Vanderplas, J., Passos, A., Cournapeau, D., Brucher, M., Perrot, M., Duchesnay, E.: Scikit-learn: Machine Learning in Python. J. Mach. Learn. Res. 12, 2825 (2011)MathSciNetMATH
37.
Zurück zum Zitat Aleksandrowicz, G., Alexander, T., Barkoutsos, P., Bello, Luciano., Ben-Haim, Y., Bucher, D., Cabrera-Hernández, FJ., Carballo-Franquis, J., Chen, A., Chen, CF., et al.: Qiskit: An open-source framework for quantum computing. Accessed on: Mar 16 (2019) Aleksandrowicz, G., Alexander, T., Barkoutsos, P., Bello, Luciano., Ben-Haim, Y., Bucher, D., Cabrera-Hernández, FJ., Carballo-Franquis, J., Chen, A., Chen, CF., et al.: Qiskit: An open-source framework for quantum computing. Accessed on: Mar 16 (2019)
38.
Zurück zum Zitat Duchi, J., Hazan, E., Singer, Y.: Adaptive subgradient methods for online learning and stochastic optimization. J. Mach. Learn. Res. 12, 2121 (2011) Duchi, J., Hazan, E., Singer, Y.: Adaptive subgradient methods for online learning and stochastic optimization. J. Mach. Learn. Res. 12, 2121 (2011)
Metadaten
Titel
Quantum locally linear embedding for nonlinear dimensionality reduction
Publikationsdatum
01.08.2020
Erschienen in
Quantum Information Processing / Ausgabe 9/2020
Print ISSN: 1570-0755
Elektronische ISSN: 1573-1332
DOI
https://doi.org/10.1007/s11128-020-02818-y

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