QML - Machinenlernen auf Quantencomputer

Maschinelles Lernen (auch als Machine Learning bekannt) ist ein faszinierendes Forschungsfeld, das sich mit der Entwicklung von Algorithmen und Modellen befasst, die es Computern ermöglichen, aus Erfahrungen zu lernen und Vorhersagen zu treffen. Wenn wir diese Idee auf Quantencomputer anwenden, eröffnen sich aufregende Möglichkeiten.

Hier sind einige Schritte, um ein einfaches Maschinelles Lernmodul für einen Quantencomputer zu erstellen:

1. Quanten-Perzeptron:

• Ein Perzeptron ist ein grundlegendes neuronales Netzwerk, das in der klassischen Informatik verwendet wird. Wir können ein ähnliches Konzept auf einen Quantencomputer übertragen.

• Ein Perzeptron nimmt einen Vektor-Input (eine Reihe von Zahlen) und multipliziert ihn mit einem Gewichtungsvektor. Das Ergebnis ist eine Zahl. Wenn diese Zahl über einer bestimmten Schwelle liegt, ist der Output 1, andernfalls 0.

• Ziel: Wir möchten den Quanten-Gewichtungsvektor und den Schwellenwert so anpassen, dass das Perzeptron bestimmte Muster erkennen kann, z. B. das Erkennen einer Katze in einem Bild.

1. Implementierung auf einem Quantencomputer:

• Italienische Forscher haben das weltweit erste Perzeptron auf einem Quantencomputer implementiert. Sie verwendeten den supraleitenden Quantencomputer Q-5 “Tenerife” von IBM mit fünf Qubits.

• Dieses Perzeptron wurde für einfache Aufgaben zur Bildverarbeitung getestet. Es kann bestimmte Muster erkennen und als Output 0 oder 1 ausgeben1.

1. Qiskit und Quantenprogrammierung:

• Um einen Quantencomputer zu programmieren, können Sie IBM Qiskit verwenden. Qiskit ist eine Open-Source-Bibliothek, die es ermöglicht, Quantenalgorithmen zu entwickeln und auf echten Quantencomputern auszuführen2.

Bitte beachten Sie, dass dies ein einfaches Beispiel ist, um das Konzept zu veranschaulichen. Maschinelles Lernen auf Quantencomputern ist ein aufregendes Forschungsgebiet, das noch viele Herausforderungen birgt, aber auch immense Möglichkeiten bietet.

Hier ist ein einfaches Beispiel für ein Quanten-Perzeptron in Python, das auf einem Quantencomputer mit Qiskit ausgeführt werden kann:

# Importieren der erforderlichen Bibliotheken
from qiskit import QuantumCircuit, Aer, transpile, assemble

# Erstellen eines Quanten-Perzeptrons mit 2 Qubits
def quantum_perceptron():
    # Erstellen eines Quantenschaltkreises mit 2 Qubits und 2 klassischen Bits
    circuit = QuantumCircuit(2, 2)

    # Anwenden einer Hadamard-Transformation auf das erste Qubit
    circuit.h(0)

    # Anwenden einer X-Gate auf das zweite Qubit
    circuit.x(1)

    # Anwenden einer CNOT-Operation zwischen den Qubits
    circuit.cx(0, 1)

    # Messen der Qubits und Speichern der Ergebnisse in den klassischen Bits
    circuit.measure([0, 1], [0, 1])

    return circuit

# Kompilieren und ausführen des Schaltkreises auf einem Quantencomputer-Simulator
simulator = Aer.get_backend('qasm_simulator')
compiled_circuit = transpile(quantum_perceptron(), simulator)
job = assemble(compiled_circuit, shots=1000)
result = simulator.run(job).result()

# Ausgabe der Ergebnisse
counts = result.get_counts()
print("Ergebnisse:", counts)

In diesem Beispiel wird ein einfaches Quanten-Perzeptron mit 2 Qubits erstellt. Es verwendet eine Hadamard-Transformation und eine CNOT-Operation, um bestimmte Muster zu erkennen. Die Ergebnisse werden auf einem Quantencomputer-Simulator ausgeführt und die Anzahl der 0er und 1er Ergebnisse wird angezeigt.