Dec 05, 2023

Purpose

Quantum Graph Neural Network 와 그 응용 형태의 제안과 간단한 실증

Summary

  • Quantum Graph Neural Network
    • Quantum Graph Recurrent Neural Network
    • Quantum Graph Convolutional Neural Network
    • Quantum Spectral Graph Convolutional Neural Networks (QSGCNN)

Preliminary

역학

고전역학
  • 연속성
  • 확실한 모델
↔ 양자역학
  • 불연속적
  • 이중적 & 확률적 모델
불확정성의 원리 Uncertainty Principle
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Quantum State & Wavefunction
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입자 파동 이중성
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해밀턴 역학
자연의 움직임을 기술할 때 최소화시킬수 있는 항 "라그랑지언"을 정의하고, 라그랑지언을 통해 물리적 에너지 변화를 계산하는 방법
고전역학에서도 잘 사용되는, 하나의 방법론이다
라그랑지언을 통한 연산이 뉴턴역학적으로 물체의 운동속성을 기술하는 것 보다 양자역학적 연산을 쉽게 만들어주기 때문에 양자역학에서 쓰인다
Lagrangian L
L ≡ T - U
해밀턴 역학에서의 에너지 텀
Hamiltonian H
계의 에너지 상태를 기술하는 라그랑지언과 르장드르 변환을 통해 이어져 있는 짝 벡터이자 연산자이자 연산
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수학

오일러공식
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르장드르 변환
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Hilbert Space
≈ linear vector space
≈ linear space ≡ euclidean space
벡터연산을 유클리드 공간의 스칼라 연산처럼 하기 위해 정의된 공간
wavefunction is in hilbert space
Spectral Clustering
데이터가 있을 때 spectrum(= eigen value) 간의 similarity matrix 를 잡아서 dimension reduction 하는 방법
라플라시안
3 차원에서의 벡터 발산과 수렴
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Del operator
2 차원에서의 벡터 발산과 수렴
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양자컴퓨터

Quantum Computation & Qubit Operation
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2 Background

2.1 Classical GNN

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  • g: graph
    • notion image
  • A: Adjacency matrix
    • n: number of nodes
  • X: node feature
    • d: node feature dimension
  • k: layer number
  • H: hidden value
  • : weight at layer k
  • P: message propagation function depends on adjacency matrix

Learnable parameters

  • : weights on layer k
  • : initial embedding. (= )

2.2 Networked Quantum Systems

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이 페이퍼에서는 만 사용

  • g: quantum graph in hilbert space
    • notion image
  • : vertices ≡ quantum states
    • : vertice ≡ quantum state
  • : edges ≡ transitions between quantum states
    • : edge ≡ quantum transition
  • : Hilbert space of vertices
    • notion image
  • : Hilbert space of edges
    • notion image

3 Quantum Graph Neural Network

3.1 General Quantum Graph Neural Network Ansatz

eq (3)
eq (3)

  • U: Quantum state
  • : can be any parameterized hamiltonian whose topology of interactions is that of the problem graph
    • 앞 term = edge, 뒷 term = vertex
      notion image
    • Hamiltonian Operators
      • notion image
    • : j state와 k state 간의 interaction
  • Q: Hamiltonian evolutions
  • P: Repeated

trainable variables

  • , : trainable variables
    • notion image
    • , : real-valued coefficient. independent trainable parameter

3.2 Quantum Graph Recurrent Neural Networks (QGRNN)

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RNN: parameter shared through the sequential inputs (over p = 1 … P)
∴ P를 무시하면 RNN과 같다

3.3 Quantum Graph Convolutional Neural Networks (QGCNN)

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This is analogous to translational invariance for ordinary convolutional transformations.
In our case, permutation invariance manifests itself as a constraint on the Hamiltonian, which now should be devoid of local trainable parameters, and should only have global trainable parameters.
: tied over indices ≈ convolutional value

3.4 Quantum Spectral Graph Convolutional Neural Networks (QSGCNN)

4 Applications & Experiments

4.1 Learning Quantum Hamiltonian Dynamics with Quantum Graph Recurrent Neural Networks

ground truth 데이터셋 잡을 수 있나?
ground truth 데이터셋 잡을 수 있나?

4.2 Quantum Graph Convolutional Neural Networks for Quantum Sensor Networks

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5 Conclusion & Outlook

여기서는 가장 간단한 예시만 보였으며, 응용가능성이 보인다.
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