Quantum Architektursuche zur Lösung von Quantum Machine Learning Problemen
Abstract:
Quantencomputing ist ein Computing Paradigma, das auf den Prinzipien der Quantenmechanik beruht. Hierdurch unterscheidet es sich fundamental vom klassischen Computing. Durch Quantencomputer erhofft man sich für ausgewählte Problembereiche einen Leistungsvorteil, sog. Quantenvorteil, der sich durch exponentiell schnellere Berechnungen oder geringeren Ressourcenbedarf zeigt. In der derzeitigen Noisy Intermediate Scale Quantum Ära ist die Quantenhardware noch in ihrer Leistungsfähigkeit beschränkt und weist eine hohe Fehleranfälligkeit auf. Variational Quantum Circuits stellen hierbei einen Ansatz dar, der vergleichsweise robust gegenüber diesen Einschränkungen ist. Die Leistung dieser Quantenschaltkreise hängt dabei stark von der zugrundeliegenden Architektur des parametrisierten Quantenschaltkreises ab. Das Entwickeln leistungsfähiger, hardwarekompatibler Schaltkreisarchitekturen ist daher eine wichtige Aufgabe, die auch als Quantum Architecture Search bekannt ist. Die manuelle Entwicklung guter Architekturen ist ein ineffizienter und fehleranfälliger Prozess. Daher wurden erste Versuche unternommen, diesen Prozess zu automatisieren. Neben den Methoden der Evolutionären Algorithmen, der Differentiable Architecture Search oder auch der Monte Carlo Tree Search, stellt das Reinforcement Learning einen weiteren potenziell geeigneten Ansatz zur Suche guter Architekturen dar, der bisher jedoch vergleichsweise wenig erforscht ist. Insbesondere für Probleme aus dem Bereich des Machine Learning ist wenig über dessen Eignung als Suchstrategie bekannt. Ziel der vorliegenden Arbeit ist daher die Untersuchung des Reinforcement Learning als eine geeignete Suchstrategie für Quantenschaltkreise im Kontext von Machine Learning Problemen. Hierfür wird der RL-QAS Framework vorgestellt, welcher unter Verwendung eines Reinforcement Learning Agenten die automatisierte Suche nach Schaltkreisarchitekturen ermöglicht. Evaluiert wird der RL-QAS Framework für das Iris und das binäre MNIST Klassifikationsproblem. Durch RL-QAS konnten dabei Architekturen gefunden werden, die eine hohe Testakkuratheit bei der Klassifizierung der genannten Datensätze erzielen und dabei gleichzeitig eine geringe Komplexität aufweisen. Durch RL-QAS konnte gezeigt werden, dass Reinforcement Learning durchaus für die Architektursuche geeignet ist. Für den Einsatz auf komplexeren Problemen ist jedoch eine Weiterentwicklung des RL QAS Frameworks erforderlich.
Autor/in:
Simon Salfer
Betreuer:
Michael Kölle, Philipp Altmann, Claudia Linnhoff-Popien
Studentische Abschlussarbeit | Veröffentlicht Juni 2025 | Copyright © QAR-Lab
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