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量子机器学习:新手指南

​译者|布加迪审校|孙淑娟简介欢迎来到量子机器学习世界!本教程将通过一个使用示例数据集的入门级项目,提供附有代码的分步走指导。本教程结束时,您将对如何使用量子计算机来执行机器学习任务有一番基本的理解,并帮助构建您的第一个量子模型。但在深入学习本教程之前,先了解量子机器学习是什么、它为什么如此令人兴奋。量子机器学习是量子计算和机器学习交汇的领域。它使用量子计算机来执行机器学习任务,比如分类、回归和聚类。量子计算机是一种功能强大的机器,使用量子比特(量子位)而不是传统比特来存储和处理信息。这使得它们执

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    ​译者 | 布加迪

    审校 | 孙淑娟

    简介

    量子机器学习:新手指南

    欢迎来到量子机器学习世界!本教程将通过一个使用示例数据集的入门级项目,提供附有代码的分步走指导。本教程结束时,您将对如何使用量子计算机来执行机器学习任务有一番基本的理解,并帮助构建您的第一个量子模型。

    但在深入学习本教程之前,先了解量子机器学习是什么、它为什么如此令人兴奋。

    量子机器学习是量子计算和机器学习交汇的领域。它使用量子计算机来执行机器学习任务,比如分类、回归和聚类。量子计算机是一种功能强大的机器,使用量子比特(量子位)而不是传统比特来存储和处理信息。这使得它们执行某些任务的速度比传统计算机快得多,特别适合涉及大量数据的机器学习任务。

    现在直接开始教程吧!

    第1步:安装必要的库和依赖项。

    我们在本教程中将使用PennyLane库用于量子机器学习,使用NumPy用于数值计算,使用Matplotlib用于数据可视化。您可以通过运行以下命令使用pip安装这些库:

    !pip install pennylane
    !pip install numpy
    !pip install matplotlib

    第2步:加载示例数据集。

    我们在本教程中将使用Iris数据集,该数据集由鸢尾花的150个样本组成,这些鸢尾花有四个特征:萼片长度、萼片宽度、花瓣长度和花瓣宽度。该数据集包含在sklearn库中,所以我们可以使用以下代码来加载它:

    from sklearn import datasets
    
    # Load the iris dataset
    iris = datasets.load_iris()
    X = iris['data']
    y = iris['target']

    第3步:将数据集分割成训练集和测试集。

    我们将使用训练集来训练我们的量子模型,使用测试集来评估其性能。我们可以使用来自sklearn.model_selection 模块的 train_test_split函数来分割数据集:

    from sklearn.model_selection import train_test_split
    
    # Split the dataset into training and test sets
    X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.2, random_state=42)

    第4步:预处理数据。

    在我们可以使用数据来训练量子模型之前,我们需要预处理数据。一个常见的预处理步骤是规范化,即调整数据,以便它有零平均值和单位方差。我们可以使用来自sklearn.preprocessing模块的 StandardScaler类来执行规范化:

    from sklearn.preprocessing import StandardScaler
    
    # Initialize the scaler
    scaler = StandardScaler()
    
    # Fit the scaler to the training data
    scaler.fit(X_train)
    
    # Scale the training and test data
    X_train_scaled = scaler.transform(X_train)
    X_test_scaled = scaler.transform(X_test)

    这段代码初始化StandardScaler对象,并使用fit方法将其拟合训练数据。然后,它使用transform方法来调整训练和测试数据。

    规范化之所以是一个重要的预处理步骤,是由于它确保数据的所有特征都在同一尺度上,这可以改善量子模型的性能。

    第5步:定义量子模型。

    现在我们准备使用 PennyLane库来定义量子模型。第一步是导入必要的函数,并创建量子设备:

    import pennylane as qml
    
    # Choose a device (e.g., 'default.qubit')
    device = qml.device('default.qubit')

    下一步,我们将定义一个量子函数,它摄入数据作为输入,返回预测。我们将使用一个简单的量子神经网络,只有一层量子神经元:

    @qml.qnode(device)
    def quantum_neural_net(weights, data):
    # Initialize the qubits
    qml.templates.AmplitudeEmbedding(weights, data)
    
    # Apply a layer of quantum neurons
    qml.templates.StronglyEntanglingLayers(weights, data)
    
    # Measure the qubits
    return qml.expval(qml.PauliZ(0))

    该量子函数摄取两个变量:weights(这是量子神经网络的参数)和data(这是输入数据)。

    第一行使用来自 PennyLane的AmplitudeEmbedding模板初始化量子位。该模板将数据映射到量子位的振幅上,以便保留数据点之间的距离。

    第二行使用StronglyEntanglingLayers模板来应用一层量子神经元。该模板将一系列纠缠操作应用到量子位上,然后量子位可用于实现通用量子计算。

    最后,最后一行以Pauli-Z度量基础测量量子位,并返回预期值。

    第6步:定义成本函数。

    为了训练量子模型,我们需要定义成本函数,以测量模型性能有多好。就本教程而言,我们将使用均方误差(MSE)作为成本函数:

    def cost(weights, data, labels):
    # Make predictions using the quantum neural network
    predictions = quantum_neural_net(weights, data)
    
    # Calculate the mean squared error
    mse = qml.mean_squared_error(labels, predictions)
    
    return mse

    该成本函数摄取三个变量:weights(这是量子模型的参数)、data(这是输入数据)和labels(这是数据的真实标签)。它使用量子神经网络基于输入数据做预测,并计算预测和真实标签之间的MSE。

    MSE是机器学习中的常见成本函数,测量预测值和真实值之间的平均平方差。较小的MSE表明模型更拟合数据。

    第7步:训练量子模型。

    现在,我们准备使用梯度下降法来训练量子模型。我们将使用来自PennyLane 的AdamOptimizer类来执行优化:

    # Initialize the optimizer
    opt = qml.AdamOptimizer(stepsize=0.01)
    
    # Set the number of training steps
    steps = 100
    
    # Set the initial weights
    weights = np.random.normal(0, 1, (4, 2))
    
    # Train the model
    for i in range(steps):
    # Calculate the gradients
    gradients = qml.grad(cost, argnum=0)(weights, X_train_scaled, y_train)
    
    # Update the weights
    opt.step(gradients, weights)
    
    # Print the cost
    if (i + 1) % 10 == 0:
    print(f'Step {i + 1}: cost = {cost(weights, X_train_scaled, y_train):.4f}')

    这段代码初始化优化器,步长为0.01,并将训练步数设置为100。然后,它将模型的初始权重设置为从均值为0、标准差为1的正态分布中抽取的随机值。

    在每个训练步骤中,代码使用 qml.grad 函数计算相对于权重的成本函数梯度。然后,它使用opt.step方法更新权重,并每10步输出成本。

    梯度下降法是机器学习中常见的优化算法,它迭代更新模型参数以最小化成本函数。AdamOptimizer是梯度下降的一种变体,它使用自适应学习率,这可以帮助优化更快地收敛。

    第8步:评估量子模型。

    我们已经训练了量子模型,可以评估它在测试集上的性能。我们可以使用以下代码来测试:

    # Make predictions on the test set
    predictions = quantum_neural_net(weights, X_test_scaled)
    
    # Calculate the accuracy
    accuracy = qml.accuracy(predictions, y_test)
    
    print(f'Test accuracy: {accuracy:.2f}')

    这段代码使用量子神经网络基于测试集做预测,并使用qml.accuracy 函数计算预测准确性。然后,它输出测试准确性。

    第9步:直观显示结果。

    最后,我们可以使用Matplotlib直观显示量子模型的结果。比如说,我们可以对照真实标签绘制出测试集的预测结果:

    import matplotlib.pyplot as plt
    
    # Plot the predictions
    plt.scatter(y_test, predictions)
    
    # Add a diagonal line
    x = np.linspace(0, 3, 4)
    plt.plot(x, x, '--r')
    
    # Add axis labels and a title
    plt.xlabel('True labels')
    plt.ylabel('Predictions')
    plt.title('Quantum Neural Network')
    
    # Show the plot
    plt.show()

    这段代码将对照真实标签创建预测的散点图,增添对角线以表示完美预测。然后它为散点图添加轴线标签和标题,并使用plt.show函数来显示。

    现在,我们已成功地构建了一个量子机器学习模型,并在示例数据集上评估了性能。

    结果

    为了测试量子模型的性能,我们运行了教程中提供的代码,获得了以下结果:

    Step 10: cost = 0.5020
    Step 20: cost = 0.3677
    Step 30: cost = 0.3236
    Step 40: cost = 0.3141
    Step 50: cost = 0.3111
    Step 60: cost = 0.3102
    Step 70: cost = 0.3098
    Step 80: cost = 0.3095
    Step 90: cost = 0.3093
    Step 100: cost = 0.3092
    Test accuracy: 0.87

    这些结果表明,量子模型能够从训练数据中学习,并基于测试集做出准确的预测。在整个训练过程中,成本稳步下降,这表明模型在学习过程中不断改进。最终的测试准确率为0.87,表现相当好,这表明该模型能够正确地分类大部分测试样例。

    结论

    量子机器学习是一个令人兴奋的领域,有许多潜在的应用,从优化供应链到预测股价,不一而足。我们希望本教程能让您了解量子计算机和机器学习的可能性,并激励您深入了解这个诱人的话题。

    原文标题:​​Quantum Machine Learning: A Beginner’s Guide​​,作者:SPX​


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