量子神经网络(QNN)在电力系统、计算机视觉和超参数优化领域展现出显著潜力。研究者提出混合量子-经典神经网络(QCNN)优化电力潮流计算,提高泛化能力;超叠加增强 QNN(SEQNN) 通过量子态叠加优化多类别图像分类,提升分类精度;数据驱动的 QNN 超参数优化 采用 Hyperband 方法,在小样本学习任务中提升泛化性能。未来,QNN 在量子计算扩展性、跨领域应用和混合量子-经典框架方面仍有巨大探索空间。
1、 Superposition-enhanced quantum neural network for multi-class image classification
总结:增强叠加量子神经网络在多类别图像分类中的应用
本文提出了一种基于叠加增强(Superposition-Enhanced)的量子神经网络(SEQNN),用于提升多类别图像分类的性能。传统的量子神经网络(QNN)在多分类任务中面临线性演化限制,而 SEQNN 通过量子叠加(Superposition)和一对多(One-vs-All, OVA)策略相结合,有效缓解了这一问题。此外,该方法采用角度叠加(Angle Superposition, AS)和量子态叠加(Quantum State Superposition, QSS) 两种策略来解决数据不平衡问题,增强模型泛化能力。在 MNIST 和 Fashion-MNIST 数据集上的实验结果表明,SEQNN 的分类准确率分别达到了 87.56% 和 69.32%,在多个基准模型上取得了竞争性表现。
主要目的:
- 优化量子神经网络在多类别图像分类任务中的表现,解决传统 QNN 在多分类任务中的非线性建模能力不足问题。
- 通过叠加策略缓解数据类别不均衡问题,提升少样本类别的分类精度,提高整体泛化能力。
- 降低训练成本,利用 OVA 和叠加增强策略减少训练时间,同时提高分类性能。
主要方法:
- 量子态叠加(QSS)和角度叠加(AS)
- QSS 直接在量子态空间中叠加数据点,提高数据的可分性;
- AS 通过调整角度编码,使得数据点在 Hilbert 空间中的分布更加均匀,减少类别间的不均衡影响。
- 跨模态量子神经网络(Cross-Modality Quantum Neural Network, CMQNN)
- 采用 OVA 策略,将多类别任务转化为多个二分类任务,并利用叠加增强来优化数据平衡性。
- 结合量子测量优化机制,提高模型对小样本类别的适应性。
- 参数化量子电路(Parameterized Quantum Circuit, PQC)优化
- 设计高效的变分量子电路,提高量子模型的表达能力,并减少计算复杂度。
- 采用梯度优化策略,在优化过程中动态调整超参数,提高训练稳定性。
结果:
- 在 MNIST 数据集上,SEQNN 的准确率达到 87.56%,Fashion-MNIST 数据集上的准确率为 69.32%,均超越了多个现有量子分类模型。
- 相比传统 QNN 模型,SEQNN 在数据类别不均衡任务上的表现提升了 4.7%-6.1%,显著降低了少样本类别的误判率。
- 在消融实验中,叠加策略和 OVA 结合能够有效提升模型的泛化能力,其中 AS 贡献了 2.5% 的性能提升。
创新性:
- 提出了一种全新的量子神经网络架构 SEQNN,结合叠加增强和 OVA 以优化多类别分类任务的表现。
- 引入量子叠加(Superposition)策略,有效缓解数据类别不均衡问题,提高模型的适应性。
- 优化参数化量子电路(PQC)结构,提升量子神经网络的可扩展性和计算效率。
- 在量子计算环境下实现高效的知识蒸馏,为未来的量子机器学习提供了新思路。
未来研究方向:
- 探索 SEQNN 在更复杂数据集(如 CIFAR-10、ImageNet)上的适用性,进一步提升模型的泛化能力。
- 优化量子电路深度,减少计算复杂度,使其适用于 NISQ(Noisy Intermediate-Scale Quantum)设备。
- 结合自监督学习和对比学习,提升量子模型的自适应能力,减少对大量标注数据的依赖。
- 探索 SEQNN 在其他领域的应用,如医疗影像分析、自动驾驶感知、遥感目标检测等。

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