机器学习-IBM Qiskit量子机器学习速成（一）

声明：本篇笔记基于IBM Qiskit量子机器学习教程的第一节，中文版译文详见：https://blog.csdn.net/qq_33943772/article/details/129860346?spm=1001.2014.3001.5501

概述

首先导入关键的包

from qiskit import QuantumCircuit
from qiskit.utils import algorithm_globals
from qiskit.circuit import Parameter, ParameterVector
from qiskit.quantum_info import SparsePauliOp
from qiskit_machine_learning.neural_networks import EstimatorQNN, SamplerQNN

尤其注意qiskit_machine_learning包需要额外安装（如果你是Anaconda用户，特别注意需要先激活相应虚拟环境），参考指令如下

pip install qiskit_machine_learning

另外，由于接下来的程序中涉及随机数，我们需要指定全局的随机数种子：

# qiskit_machine_learning需要另外安装
algorithm_globals.random_seed = 42

我们知道，机器学习的本质是确定问题本身的结构后对某些参数进行学习。例如，我们对人的身高和体重之间的关系很感兴趣，我们先假设二者之间存在线性关系$y=kx+b$，也就是确定了二者之间的结构，从而对参数$k,b$进行学习。而学习过程本身就是对参数的调节，使模型最大程度上符合问题的描述。

一般而言，参数化的量子电路分为三个部分：

• 数据加载：input
• 数据处理：weight
• 测量结果

搭建神经网络

一般而言，我们会用到两种量子神经网络，分别是EstimatorQNN和SamplerQNN。顾名思义，EstimatorQNN是用来“估计”某个算符的期望值的，而SamplerQNN是用来计算量子态的。

例如，我们想估算某个力学量(比如说哈密顿量$\hat{H}$)的期望值，我们就可以构建一个包含该哈密顿量$\hat{H}$的EstimatorQNN。

当我们对量子态的分布更感兴趣时，也就是，我们更感兴趣初始态经过电路的操作后会变成哪几种量子态（最简单的情形是加一个哈达玛门，从而结果是$\frac{|0⟩+|1⟩}{\sqrt{2}}$）。

但是需要注意，在机器学习中，问题必须带有参数！我们可以这样理解SamplerQNN：通过调整电路中的某些参数，使得某些量子态的分布达到极大或极小。

EstimatorQNN的创建

EstimatorQNN创建时只需要以下几个部分：

• 一个已经写好的参数化电路
• 力学观测量(可选，如果不特别说明的话，其实计算的就是单位矩阵的期望值)
• 输入参数（input_params）
• 权重参数（weight_params）

例如，我们可以通过以下方式创建参数(或参数向量)和参数化电路

params1 = [Parameter("input1"), Parameter("weight1")]
qc1 = QuantumCircuit(1)
qc1.h(0)
qc1.ry(params1[0], 0)
qc1.rx(params1[1], 0)

随后，通过泡利矩阵构造力学量（或可观测量）

observable1 = SparsePauliOp.from_list([("Y" * qc1.num_qubits, 1)])

组合以上部分，直接写入参数，即可得到一个EstimatorQNN

estimator_qnn = EstimatorQNN(
    circuit=qc1,
    observables=observable1,
    input_params=[params1[0]],
    weight_params=[params1[1]]
)

SamplerQNN的创建

SamplerQNN创建时只需要以下几个参数：

• 一个已经写好的参数化电路
• 输入参数（input_params）
• 权重参数（weight_params）

可以看出，SamplerQNN也需要参数化电路（毕竟机器学习就是调节参数），它直接从末态读取结果（二进制字符串或非负整数）。不同的是，SamplerQNN提供interpret方法，你可以重写这个方法，来对结果进行解释。例如，QAOA中将结果解释为划分的区域。但是一旦外部重写interpret方法，必须显式指定
output_shape，因为Qiskit无法自动推断结果。

首先，声明输入和权重参数，并创建参数化电路。

inputs2 = ParameterVector("input", 2)
weights2 = ParameterVector("weight", 4)

qc2 = QuantumCircuit(2)
qc2.ry(inputs2[0], 0)
qc2.ry(inputs2[1], 1)
qc2.cx(0, 1)
qc2.ry(weights2[0], 0)
qc2.ry(weights2[1], 1)
qc2.cx(0, 1)
qc2.ry(weights2[2], 0)
qc2.ry(weights2[3], 1)

进而创建SamplerQNN：

sampler_qnn = SamplerQNN(circuit=qc2,
                         input_params=inputs2,
                         weight_params=weights2)

前向传播神经网络（运行神经网络）

当我们搭建好神经网络后，就需要执行神经网络了。一般来说，我们首先需要给定输入值和权重的初始值（注意，关键在于权重）。随后我们就可以获得运行的结果了。前向传播神经网络需要使用神经网络对象的forward方法。

初始化参数

出于演示的目的，我们此处随机地设定输入值和权重值。

estimator_qnn_input = algorithm_globals.random.random(estimator_qnn.num_inputs)
estimator_qnn_weights = algorithm_globals.random.random(estimator_qnn.num_weights)
sampler_qnn_input = algorithm_globals.random.random(sampler_qnn.num_inputs)
sampler_qnn_weights = algorithm_globals.random.random(sampler_qnn.num_weights)

数据的输入分为非分批输入(non-batched input)和分批输入(batched input)

非分批输入

非分批输入即直接输入全部参数，属于最简单、最直接的输入方式。当然，在数据集过大的情况下，这种输入方式不利于神经网络的训练。

estimator_qnn_forward = estimator_qnn.forward(estimator_qnn_input, estimator_qnn_weights)
print(
    f"Forward pass result for EstimatorQNN: {
      estimator_qnn_forward}. \nShape: {
      estimator_qnn_forward.shape}"
)

sampler_qnn_forward = sampler_qnn.forward(sampler_qnn_input, sampler_qnn_weights)
print(
    f"Forward pass result for SamplerQNN: {
      sampler_qnn_forward}.  \nShape: {
      sampler_qnn_forward.shape}"
)

分批输入

分批输入即将数据集先裁剪成适当大小（例如6x6、32x32大小的数据矩阵），再输入神经网络。

estimator_qnn_forward_batched = estimator_qnn.forward(
    [estimator_qnn_input, estimator_qnn_input], estimator_qnn_weights
)
print(
    f"Forward pass result for EstimatorQNN: {
      estimator_qnn_forward_batched}.  \nShape: {
      estimator_qnn_forward_batched.shape}"
)

sampler_qnn_forward_batched = sampler_qnn.forward(
    [sampler_qnn_input, sampler_qnn_input], sampler_qnn_weights
)
print(
    f"Forward pass result for SamplerQNN: {
      sampler_qnn_forward_batched}.  \nShape: {
      sampler_qnn_forward_batched.shape}"
)

反向传递（优化神经网络/训练神经网络）

反向传递会根据神经网络前向传播的结果，来优化权重参数。反向传递需要使用神经网络对象的backward方法。

estimator_qnn_input_grad, estimator_qnn_weight_grad = estimator_qnn.backward(
    estimator_qnn_input, estimator_qnn_weights
)
print(
    f"Input gradients for EstimatorQNN: {
      estimator_qnn_input_grad}.  \nShape: {
      estimator_qnn_input_grad}"
)
print(
    f"Weight gradients for EstimatorQNN: {
      estimator_qnn_weight_grad}.  \nShape: {
      estimator_qnn_weight_grad.shape}"
)

sampler_qnn_input_grad, sampler_qnn_weight_grad = sampler_qnn.backward(
    sampler_qnn_input, sampler_qnn_weights
)
print(
    f"Input gradients for SamplerQNN: {
      sampler_qnn_input_grad}.  \nShape: {
      sampler_qnn_input_grad}"
)
print(
    f"Weight gradients for SamplerQNN: {
      sampler_qnn_weight_grad}.  \nShape: {
      sampler_qnn_weight_grad.shape}"
)

总结

• 声明参数（Parameter或ParameterVector）并创建参数化电路
• 传入EstimatorQNN或SamplerQNN，一般格式：xxxQNN(circuit, inputs, weights)
  （Estimator可能需要额外导入力学量矩阵）
• 前向传递：xxxQNN.forward(inputs, weights) 分为无批次或有批次（有批次时直接将inputs换为多个数据组的列表,[input_list1, input_list2…]）
• 反向传播：xxxQNN.backward(inputs, weights)