ไทย

สำรวจพลังของโมเดลไฮบริดในการเรียนรู้ของเครื่องเชิงควอนตัม ที่ผสมผสานอัลกอริทึมแบบคลาสสิกและควอนตัมเพื่อประสิทธิภาพที่สูงขึ้นและการใช้งานรูปแบบใหม่ในหลากหลายอุตสาหกรรม

การเรียนรู้ของเครื่องเชิงควอนตัม: การใช้ประโยชน์จากโมเดลไฮบริดเพื่อประสิทธิภาพที่เหนือกว่า

การเรียนรู้ของเครื่องเชิงควอนตัม (QML) เป็นสาขาที่เกิดขึ้นใหม่ที่ผสมผสานหลักการของการประมวลผลเชิงควอนตัมเข้ากับอัลกอริทึมการเรียนรู้ของเครื่อง ในขณะที่คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ทนทานต่อความผิดพลาดโดยสมบูรณ์ยังอยู่ระหว่างการพัฒนา อุปกรณ์ควอนตัมในระยะใกล้ หรือที่มักเรียกกันว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมระดับกลางที่มีสัญญาณรบกวน (Noisy Intermediate-Scale Quantum - NISQ) มีศักยภาพในการเร่งงานการเรียนรู้ของเครื่องบางอย่างโดยใช้ประโยชน์จากปรากฏการณ์ควอนตัม เช่น การซ้อนทับ (superposition) และการพัวพัน (entanglement) อย่างไรก็ตาม อุปกรณ์ NISQ เหล่านี้มีข้อจำกัดในด้านจำนวนคิวบิต (qubit) เวลาที่สถานะควอนตัมยังคงอยู่ (coherence time) และความแม่นยำของเกต (gate fidelity) ซึ่งเป็นจุดที่โมเดลไฮบริดเข้ามามีบทบาท

โมเดลไฮบริดควอนตัม-คลาสสิกคืออะไร?

โมเดลไฮบริดควอนตัม-คลาสสิกถูกออกแบบมาเพื่อใช้ประโยชน์จากจุดแข็งของทั้งคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกและควอนตัม โดยเกี่ยวข้องกับการใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมเป็นตัวประมวลผลร่วมเพื่อเร่งความเร็วในส่วนเฉพาะของอัลกอริทึมการเรียนรู้ของเครื่อง ในขณะที่การคำนวณส่วนที่เหลือจะดำเนินการบนคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิก แนวทางนี้มีประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับอุปกรณ์ NISQ ซึ่งช่วยให้นักวิจัยและผู้ปฏิบัติงานสามารถสำรวจศักยภาพของการประมวลผลเชิงควอนตัมในการเรียนรู้ของเครื่องโดยไม่จำเป็นต้องใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ทนทานต่อความผิดพลาดโดยสมบูรณ์

แนวคิดหลักเบื้องหลัง QML แบบไฮบริดคือการแบ่งงานการเรียนรู้ของเครื่องออกเป็นส่วนประกอบที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการคำนวณแบบควอนตัมหรือคลาสสิก ตัวอย่างเช่น คอมพิวเตอร์ควอนตัมอาจถูกใช้เพื่อดำเนินการพีชคณิตเชิงเส้นบางอย่างที่มีประสิทธิภาพซึ่งต้องใช้การคำนวณสูงบนคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิก ในขณะที่คอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกจะจัดการกับการประมวลผลข้อมูลและการฝึกโมเดลส่วนที่เหลือ

องค์ประกอบสำคัญของโมเดลไฮบริดควอนตัม-คลาสสิก

โดยทั่วไปโมเดลไฮบริดควอนตัม-คลาสสิกประกอบด้วยองค์ประกอบต่อไปนี้:

ประเภทของโมเดลไฮบริดควอนตัม-คลาสสิก

โมเดลไฮบริดควอนตัม-คลาสสิกหลายประเภทได้ถูกพัฒนาขึ้น โดยแต่ละประเภทมีจุดแข็งและจุดอ่อนของตัวเอง ประเภทที่ได้รับความนิยมมากที่สุดบางส่วน ได้แก่:

Variational Quantum Eigensolver (VQE)

VQE เป็นอัลกอริทึมไฮบริดที่ใช้ในการค้นหาพลังงานสถานะพื้น (ground state energy) ของระบบควอนตัม โดยใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมเพื่อเตรียมฟังก์ชันคลื่นทดลอง (trial wave function) และวัดพลังงานของมัน ในขณะที่คอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกจะใช้เพื่อปรับพารามิเตอร์ของฟังก์ชันคลื่นทดลองให้เหมาะสมที่สุดเพื่อลดพลังงานให้เหลือน้อยที่สุด VQE มีประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับการจำลองทางเคมีควอนตัมและวิทยาศาสตร์วัสดุ

ตัวอย่าง: ในการค้นพบวัสดุ สามารถใช้ VQE เพื่อจำลองโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของโมเลกุลหรือวัสดุ คอมพิวเตอร์ควอนตัมจะคำนวณพลังงานของโครงแบบอิเล็กตรอนทดลอง และตัวปรับค่าให้เหมาะสมที่สุดแบบคลาสสิกจะปรับพารามิเตอร์ของโครงแบบจนกว่าจะพบพลังงานต่ำสุด (สถานะพื้น) จากนั้นข้อมูลนี้สามารถนำไปใช้เพื่อทำนายคุณสมบัติของวัสดุได้

Quantum Approximate Optimization Algorithm (QAOA)

QAOA เป็นอัลกอริทึมไฮบริดที่ใช้ในการหาคำตอบโดยประมาณสำหรับปัญหาการหาค่าที่เหมาะสมที่สุดเชิงการจัด (combinatorial optimization problems) โดยใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมเพื่อสำรวจปริภูมิผลเฉลย (solution space) และคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกเพื่อนำทางการค้นหา QAOA มีประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับปัญหาต่างๆ เช่น ปัญหาพนักงานขายเดินทาง (traveling salesperson problem) การแบ่งกราฟ (graph partitioning) และ MAX-CUT

ตัวอย่าง: ลองพิจารณาบริษัทโลจิสติกส์ที่พยายามปรับปรุงเส้นทางการจัดส่งให้เหมาะสมที่สุด QAOA สามารถนำมาใช้เพื่อค้นหาเส้นทางที่เกือบจะดีที่สุดซึ่งช่วยลดระยะทางและเวลาในการเดินทาง แม้ว่าจะมีสถานที่จัดส่งจำนวนมาก คอมพิวเตอร์ควอนตัมจะสำรวจการผสมผสานเส้นทางต่างๆ และตัวปรับค่าให้เหมาะสมที่สุดแบบคลาสสิกจะปรับพารามิเตอร์ของอัลกอริทึมควอนตัมเพื่อมุ่งเน้นไปที่โซลูชันที่มีแนวโน้มดี

Variational Quantum Classifiers (VQCs) / Quantum Neural Networks (QNNs)

VQCs หรือ QNNs เป็นวงจรควอนตัมที่ออกแบบมาเพื่อทำงานจำแนกประเภท (classification tasks) โดยได้รับการฝึกฝนโดยใช้แนวทางแบบไฮบริด ซึ่งวงจรควอนตัมจะทำการจำแนกประเภทและตัวปรับค่าให้เหมาะสมที่สุดแบบคลาสสิกจะปรับพารามิเตอร์ของวงจรเพื่อปรับปรุงความแม่นยำ สิ่งเหล่านี้ถูกมองว่าคล้ายคลึงกับโครงข่ายประสาทเทียมแบบคลาสสิก แต่ถูกนำไปใช้บนฮาร์ดแวร์ควอนตัม ข้อมูลจะถูกเข้ารหัสเป็นสถานะควอนตัม และเกตควอนตัมจะทำหน้าที่เป็นพารามิเตอร์ที่สามารถเรียนรู้ได้

ตัวอย่าง: ในการตรวจจับการฉ้อโกงทางการเงิน VQC สามารถฝึกฝนเพื่อจำแนกธุรกรรมว่าเป็นธุรกรรมที่ฉ้อโกงหรือถูกต้องตามกฎหมาย คอมพิวเตอร์ควอนตัมจะวิเคราะห์ข้อมูลธุรกรรม (ที่เข้ารหัสเป็นสถานะควอนตัม) และทำการคาดการณ์ ตัวปรับค่าให้เหมาะสมที่สุดแบบคลาสสิกจะปรับพารามิเตอร์ของวงจรควอนตัมตามความแม่นยำของการคาดการณ์ ซึ่งจะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของตัวจำแนกประเภทซ้ำๆ

Quantum Support Vector Machines (QSVMs)

QSVMs ใช้ประโยชน์จากคอมพิวเตอร์ควอนตัมเพื่อเร่งการคำนวณเคอร์เนล (kernel computation) ใน Support Vector Machines (SVMs) SVMs เป็นอัลกอริทึมการเรียนรู้ของเครื่องแบบคลาสสิกที่มีประสิทธิภาพซึ่งใช้สำหรับการจำแนกประเภทและการถดถอย (regression) ด้วยการใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมในการคำนวณฟังก์ชันเคอร์เนล QSVMs จึงมีศักยภาพที่จะเพิ่มความเร็วแบบทวีคูณสำหรับชุดข้อมูลบางประเภท

ตัวอย่าง: ในการค้นพบยา QSVM สามารถใช้เพื่อจำแนกโมเลกุลว่าเป็นยาที่มีแนวโน้มดีหรือไม่ คอมพิวเตอร์ควอนตัมจะคำนวณความคล้ายคลึงกันระหว่างโมเลกุลโดยใช้เคอร์เนลควอนตัม ซึ่งจากนั้นจะถูกใช้โดย SVM เพื่อฝึกตัวจำแนกประเภท ซึ่งสามารถเร่งกระบวนการระบุผู้สมัครยาที่มีศักยภาพได้อย่างมีนัยสำคัญ

ข้อดีของโมเดลไฮบริดควอนตัม-คลาสสิก

โมเดลไฮบริดควอนตัม-คลาสสิกมีข้อดีหลายประการเมื่อเทียบกับแนวทางแบบคลาสสิกล้วนหรือควอนตัมล้วน:

ความท้าทายของโมเดลไฮบริดควอนตัม-คลาสสิก

แม้จะมีศักยภาพ แต่โมเดลไฮบริดควอนตัม-คลาสสิกก็เผชิญกับความท้าทายหลายประการเช่นกัน:

การประยุกต์ใช้โมเดลไฮบริดควอนตัม-คลาสสิก

โมเดลไฮบริดควอนตัม-คลาสสิกมีศักยภาพในการใช้งานที่หลากหลายในอุตสาหกรรมต่างๆ ได้แก่:

การเงิน

ในการเงิน สามารถใช้โมเดลไฮบริดสำหรับงานต่างๆ เช่น การปรับพอร์ตการลงทุนให้เหมาะสมที่สุด (portfolio optimization) การบริหารความเสี่ยง การตรวจจับการฉ้อโกง และการซื้อขายด้วยอัลกอริทึม

ตัวอย่าง: การปรับพอร์ตการลงทุนให้เหมาะสมที่สุด: สามารถใช้โมเดลไฮบริดเพื่อปรับพอร์ตสินทรัพย์ให้เหมาะสมที่สุดโดยพิจารณาปัจจัยต่างๆ เช่น ระดับความเสี่ยงที่ยอมรับได้ เป้าหมายการลงทุน และสภาวะตลาด คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถสำรวจการผสมผสานพอร์ตการลงทุนต่างๆ ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในขณะที่คอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกจัดการข้อมูลและคำนวณความเสี่ยง

การดูแลสุขภาพ

ในการดูแลสุขภาพ สามารถใช้โมเดลไฮบริดเพื่อการค้นพบยา การถ่ายภาพทางการแพทย์ เวชศาสตร์ส่วนบุคคล และการวินิจฉัยโรค

ตัวอย่าง: การค้นพบยา: สามารถใช้โมเดลไฮบริดเพื่อจำลองปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลยาและโปรตีนเป้าหมาย ซึ่งช่วยเร่งกระบวนการระบุผู้สมัครยาที่มีศักยภาพ คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถทำการจำลองระดับโมเลกุลที่ต้องใช้การคำนวณสูง ในขณะที่คอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกจัดการข้อมูลและทำการวิเคราะห์

วิทยาศาสตร์วัสดุ

ในวิทยาศาสตร์วัสดุ สามารถใช้โมเดลไฮบริดเพื่อการค้นพบวัสดุ การออกแบบวัสดุ และการจำแนกลักษณะของวัสดุ

ตัวอย่าง: การค้นพบวัสดุ: สามารถใช้โมเดลไฮบริดเพื่อจำลองคุณสมบัติของวัสดุใหม่ เช่น ความแข็งแรง การนำไฟฟ้า และคุณสมบัติทางแม่เหล็ก คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถทำการคำนวณโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ที่ต้องใช้การคำนวณสูง ในขณะที่คอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกจัดการข้อมูลและทำการวิเคราะห์

โลจิสติกส์และการจัดการห่วงโซ่อุปทาน

สามารถใช้โมเดลไฮบริดสำหรับปัญหาการหาค่าที่เหมาะสมที่สุด เช่น การปรับเส้นทางให้เหมาะสมที่สุด การจัดการสินค้าคงคลัง และการจัดตารางเวลาในห่วงโซ่อุปทาน

ตัวอย่าง: การปรับเส้นทางให้เหมาะสมที่สุด: ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ QAOA เหมาะสมอย่างยิ่งในการแก้ปัญหานี้

ปัญญาประดิษฐ์

สามารถใช้โมเดลไฮบริดเพื่อปรับปรุงงาน AI ต่างๆ รวมถึงการจดจำภาพ การประมวลผลภาษาธรรมชาติ และการเรียนรู้ของเครื่อง

ตัวอย่าง: การจดจำภาพ: VQCs สามารถฝึกฝนเพื่อจำแนกภาพด้วยความแม่นยำหรือประสิทธิภาพที่สูงกว่าเมื่อเทียบกับโมเดลคลาสสิก โดยเฉพาะสำหรับชุดข้อมูลที่ซับซ้อน คอมพิวเตอร์ควอนตัมจะวิเคราะห์ข้อมูลภาพ (ที่เข้ารหัสเป็นสถานะควอนตัม) และทำการคาดการณ์ ตัวปรับค่าให้เหมาะสมที่สุดแบบคลาสสิกจะปรับพารามิเตอร์ของวงจรควอนตัมตามความแม่นยำของการคาดการณ์

ทิศทางในอนาคต

สาขาของโมเดลไฮบริดควอนตัม-คลาสสิกกำลังพัฒนาอย่างรวดเร็ว ทิศทางการวิจัยในอนาคต ได้แก่:

บทสรุป

โมเดลไฮบริดควอนตัม-คลาสสิกเป็นแนวทางที่มีแนวโน้มดีในการใช้ประโยชน์จากพลังของการประมวลผลเชิงควอนตัมสำหรับการเรียนรู้ของเครื่อง ด้วยการผสมผสานจุดแข็งของทั้งคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกและควอนตัม โมเดลเหล่านี้จึงมีศักยภาพที่จะบรรลุความได้เปรียบเชิงควอนตัมสำหรับงานบางอย่างได้ แม้ว่าจะยังมีความท้าทายอยู่ แต่ความพยายามในการวิจัยและพัฒนาอย่างต่อเนื่องกำลังปูทางไปสู่การยอมรับในวงกว้างและการประยุกต์ใช้โมเดลไฮบริดควอนตัม-คลาสสิกที่กว้างขวางขึ้นในหลากหลายอุตสาหกรรม ในขณะที่เทคโนโลยีควอนตัมเติบโตขึ้น คาดว่าโมเดลไฮบริดจะมีบทบาทสำคัญมากขึ้นในการกำหนดอนาคตของการเรียนรู้ของเครื่องและปัญญาประดิษฐ์

ข้อมูลเชิงลึกที่นำไปปฏิบัติได้: