展开菜单
首页 精品内容 本月促销 装机必备 Windows PDF教程 macOS软件 IOS软件 Android AI 专题
全部分类

当前位置:

首页 > 业界资讯 > 量子机器学习:新手指南

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

​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​


本站声明:本文内容由网友自发贡献,版权归原作者所有,本站不承担相应法律责任。如您发现有涉嫌抄袭侵权的内容,请联系bd@zhengruan.com
作者最新文章
业界资讯 机器学习
相关文章 更多
精品专题 更多
装机必备

正软商城装机必备专区,精选办公、浏览器、安全防护、影音播放、压缩解压、设计创作和系统工具等电脑常用正版软件,帮助用户快速完成新电脑软件配置。

Windows

正软商城Windows软件专区,汇集适用于Windows电脑的办公、设计、安全防护、影音播放、开发工具和系统优化软件,提供软件介绍、系统要求、正版授权及购买下载服务。

PDF教程

正软商城PDF教程频道提供PDF编辑、转换、合并、拆分、压缩及格式处理方法,同时介绍常用PDF软件和工具的使用技巧。

macOS软件

正软商城macOS软件专区,精选适用于Mac电脑的办公、设计、影音、效率、开发和系统工具,提供软件功能介绍、macOS兼容版本、正版授权及购买下载服务。

IOS软件

正软商城iOS软件专区,精选适用于iPhone和iPad的办公、学习、影音、设计、效率及AI应用,提供功能介绍、适用设备、系统要求和正版获取方式等信息。

AI

正软商城AI软件专区,汇集AI写作、AI绘画、AI视频、AI办公、AI编程、AI翻译、智能客服和数据分析等人工智能工具,提供功能介绍、适用平台、收费方式及正版购买信息。

Mac软件 更多
WPS Office macOS版
WPS Office macOS版

WPS Office是一款面向macOS用户的综合办公套件,将文字处理、电子表格、演示文稿、PDF工具、模板与云协作整合在同一应用中。它兼容常见Microsoft Office格式,支持Intel及Apple芯片Mac,基础功能可免费使用,

Shapr3D macOS版
Shapr3D macOS版

Shapr3D是一款面向工业设计、机械工程、建筑概念和三维打印工作流的CAD软件。Mac版采用Parasolid建模内核,支持草图约束、实体建模、工程图、可视化渲染及常见CAD格式交换,并可通过账户在多台设备之间同步项目。

REAPER macOS版
REAPER macOS版

REAPER是Cockos开发的数字音频工作站,提供多轨音频与MIDI录制、剪辑、处理、混音和母带制作工具。Mac版兼容Intel与Apple芯片,支持AU、VST、VST3、CLAP等插件格式,并提供高度可定制的工作流程。

Ableton Live macOS版
Ableton Live macOS版

Ableton Live 是面向音乐制作人与现场表演者的数字音频工作站,提供编曲视图、独具特色的现场视图、音频录制、MIDI创作、实时变速、乐器及效果器。Mac版原生支持Apple芯片,并可连接音频接口、MIDI控制器和第三方插件。

Adobe After Effects macOS版
Adobe After Effects macOS版

Adobe After Effects 是面向动态图形、影视特效与视频合成的专业创作软件。它提供关键帧动画、遮罩抠像、运动跟踪、三维空间、文字动画和表达式等工具,并可与 Premiere Pro、Photoshop、Illustrator

Adobe Audition macOS版
Adobe Audition macOS版

Adobe Audition 是面向播客、影视后期、音乐制作及内容创作者的专业音频工作站,提供波形精修、多轨录制与混音、频谱编辑、降噪修复、响度匹配和效果处理工具,并可与 Adobe Premiere 协同完成视频声音制作。

Adobe Bridge macOS版
Adobe Bridge macOS版

Adobe Bridge 是面向摄影师、设计师及内容团队的免费数字资产管理工具,可集中预览照片、视频和 Adobe 项目文件,并利用评级、标签、关键词、元数据、筛选与收藏集完成分类检索。它还支持批量重命名、格式导出、相机导入及 Camera

Adobe Illustrator macOS版
Adobe Illustrator macOS版

Adobe Illustrator 是 Adobe 推出的专业矢量图形设计软件,适合在 Mac 上制作标志、图标、插画、包装、信息图及印刷版面。它以路径和锚点构建可无损缩放的图形,并提供钢笔、形状、文字、图像描摹、渐变、画板及生成式功能。

Adobe InDesign macOS版
Adobe InDesign macOS版

Adobe InDesign 是面向印刷品与数字出版物的专业版面设计软件,可在 Mac 上制作书籍、杂志、宣传册、海报、报告及交互式文档。它提供精细的文字样式、网格、母版、长文档管理和印前输出能力。

Adobe Lightroom Classic macOS版
Adobe Lightroom Classic macOS版

Adobe Lightroom Classic 是面向桌面摄影工作流的照片管理与后期处理软件,可将原始照片保存在本地硬盘,通过目录、关键词、评分和收藏夹高效整理图库,并提供 RAW 冲印、蒙版、镜头校正、批量同步及多格式导出等功能。

Adobe Media Encoder macOS版
Adobe Media Encoder macOS版

Adobe Media Encoder 是 Adobe 推出的专业音视频编码与转码工具,可通过队列、预设和监视文件夹批量完成格式转换、代理文件创建及多平台成片输出,并与 Premiere Pro、After Effects 等软件紧密协作。

Adobe Photoshop macOS版
Adobe Photoshop macOS版

Adobe Photoshop 是面向摄影师、设计师和内容创作者的专业图像处理软件,提供图层、蒙版、选区、修复、调色、文字排版、智能对象及生成式编辑等能力。Mac 版支持 Intel 与 Apple Silicon 处理器。

WINDOWS 更多
Adobe Photoshop Windows版
Adobe Photoshop Windows版

Adobe Photoshop 是面向摄影师、设计师和内容创作者的专业图像处理工具,可在 Windows 上完成照片修饰、选区抠图、图层合成、文字排版、绘画及生成式编辑。软件采用订阅授权,由 Creative Cloud 管理安装、更新与许

Adobe InDesign Windows版
Adobe InDesign Windows版

Adobe InDesign 是面向印刷与数字出版的专业页面排版工具,可制作书籍、杂志、宣传册、海报、交互式 PDF 和电子书。它提供精细的文字样式、多页面管理、印前检查及多格式输出能力,并能与 Photoshop、Illustrator

Adobe Illustrator Windows版
Adobe Illustrator Windows版

Adobe Illustrator 是用于绘制矢量图形、插画、图标、徽标和版式的专业设计工具。它以路径和锚点为核心,作品放大后仍能保持清晰,并提供画板、文字、渐变、图像描摹及精确变换等功能,适合品牌视觉、印刷物料、数字界面和商业插画创作。

Adobe Bridge Windows版
Adobe Bridge Windows版

Adobe Bridge 是 Adobe 推出的创意资产管理工具,可集中预览、分类和查找照片、视频、PDF及多种设计文件,并支持元数据、关键词、评级、批量重命名和格式导出。它可与 Photoshop、Illustrator 等应用衔接,

Affinity Photo Windows版
Affinity Photo Windows版

Affinity Photo 是一款面向摄影师、修图师和视觉设计人员的桌面图像编辑工具,提供 RAW 显影、多图层合成、蒙版、实时滤镜、批处理和色彩管理等功能。原独立产品已停止销售,其照片编辑能力已延续至免费的新 Affinity 应用;

Adobe Lightroom Classic Windows版
Adobe Lightroom Classic Windows版

Adobe Lightroom Classic 是面向 Windows 桌面摄影工作流的照片管理与无损编辑工具,可通过目录集中整理大型图库,并完成 RAW 显影、局部蒙版、批量调整、打印和多格式导出。它强调本地文件管理与精细控制,

Figma Windows版
Figma Windows版

Figma 是面向产品设计与开发团队的云端协作平台,可在 Windows 桌面客户端中完成界面绘制、组件管理、交互原型、评论评审和开发交付。文件保存在云端,多名成员能够同步编辑并共享设计系统;官方同时提供免费 Starter 方案及按席位计

Affinity Designer Windows版
Affinity Designer Windows版

Affinity Designer 是面向矢量图形、数字插画和界面设计的专业创作工具,可在矢量、像素与导出工作区之间快速切换。它提供曲线编辑、形状构建、画板、排版、图层和专业色彩管理,并支持常见设计文件的导入及多种印刷、网页格式输出。

Capture One Pro Windows版
Capture One Pro Windows版

Capture One Pro 是面向摄影师和影像团队的专业桌面照片处理工具,提供相机定制色彩配置、RAW转换、图层与蒙版、联机拍摄、目录及会话管理等功能。它适合棚拍、人像、商业产品、婚礼和风光摄影,

Adobe Acrobat Pro Windows版
Adobe Acrobat Pro Windows版

Adobe Acrobat Pro 是面向专业 PDF 工作的综合解决方案,可在 Windows 中创建、编辑、转换、比较、整理和保护文档,并支持表单、电子签名、扫描件文字识别及敏感信息永久遮盖。订阅还包含网页、移动服务和云端协作能力,

Adobe After Effects Windows版
Adobe After Effects Windows版

Adobe After Effects 是面向动态图形、动画与影视视觉特效制作的专业工具,可完成关键帧动画、图层合成、遮罩跟踪、抠像、文字动画和二维三维元素整合。Windows 版通过 Adobe Creative Cloud 安装及更新,

DaVinci Resolve Windows版
DaVinci Resolve Windows版

DaVinci Resolve是Blackmagic Design推出的一体化影视后期工具,将素材管理、非线性剪辑、专业调色、Fusion视觉特效、Fairlight音频处理和成片交付整合在统一工程中。免费版已覆盖多数个人创作需求,