tensor networks for QML
MaldoAlberto opened this issue ยท 13 comments
Description
To design in a general way the quantum circuit to reproduce the tensor networks MERA, TTN, MPS for n qubits, and be able to apply to different datasets from Iris dataset to an unbalanced dataset that has missing values.
Deliverables
tutorials and possibly a journal paper.
Mentors details
- Mentor 1
- Name: Alberto Maldonado Romo
- GitHub ID: @MaldoAlberto
- What they do: PhD Student
Number of mentees
1
Type of mentees
- Mentee 1
- Required:
- Proficient in Qiskit
- Proficient in Machine Learning
- Nice to have:
- Experience in Quantum Machine Learning
- Required:
Hello @MaldoAlberto, this issue fits my area of interest would love to chat further about this project
Will these be added to Qiskit's circuit library in N-local circuits?
@MaldoAlberto @HuangJunye : I would like to be a mentee in this one. I do QML at my day job, I guess this fits my interests too.
@Gopal-Dahale , yes that is the idea, is do a Issue about this implementation like you said :D
@hykavitha yeah you can submit your proposal about this project :D
@MaldoAlberto : will drop from this & focus on #35
Slides for checkpoint 1.
Checkpoint 2: Progress
Tutorial
A tutorial on how to use Qiskit to design tensor networks quantum circuits and apply them, as meta-ansatz, in supervised learning quantum models for multi-classification is being written. So far, explanations have been made on how to represent Matrix Product State (MPS) and Tensor Tree Networks (TTN) as quantum circuits and the application phase of these circuits in a kernel-based quantum classifier with the Iris data set is starting. The idea is to benchmark in terms of performance and quantum hardware resources on how tensor networks quantum circuits perform in multi-classification tasks compared to the variational forms usually applied.
Benchmark
Benchmarked TTN and MPS ansatzes with MNIST binary (0 and 1) dataset. We used 3 different feature maps: Amplitude (our implementation), Qiskit's raw feature vector and Angle encoding (
โโโโโโโโโโโโ โโโโโ โโโโโ โโโโโ โโโโโ โโโโโ ยป
q_0: โค Ry(x[0]) โโโโโโโ โโโโโโโค X โโโโโโโ โโโโโโโค X โโโโโโโ โโโโโโโโโโโโโโโโโ โโโโโโโค X โโโโโโโ โโโโโโโโโโโโโโโโโ โโโโโโโค X โโโโโโโ โโโโโโโโโโโโโโโโโ โโโโโโโโโโโโโโโโโ โโโโโโโโโโโโโโโโโโ โโโโโโโค X โโโโโโโโ โโโโโโยป
โโโโโโโโโโโโโโโโโโดโโโโโโโโโโโโโโโโโดโโโโโโโโโโโ โ โโโโโ โ โโโโโค โ โโโโโ โ โโโโโค โ โ โโโโโ โ โ โโโโโค โ ยป
q_1: โโโโโโโโโโโโโค Ry(x[1]) โโโโโโโค Ry(x[2]) โโโโโโโโโโโโ โโโโโโโค X โโโโโโโ โโโโโโโค X โโโโโโโ โโโโโโโค X โโโโโโโ โโโโโโโค X โโโโโโโ โโโโโโโโโโโโโโโโโ โโโโโโโค X โโโโโโโ โโโโโโโโโโโโโโโโโโ โโโโโโโค X โโโโโโโโ โโโโโโยป
โโโโโโโโโโโโ โโโโโโโโโโโโ โโโโโโดโโโโโโโโโโโโโโโโโดโโโโโโโโโโโโโโโโโดโโโโโโโโโโโโโโโโโดโโโโโโโโโโโ โ โโโโโ โ โโโโโค โ โโโโโ โ โโโโโค โ ยป
q_2: โโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโค Ry(x[3]) โโโโโโโค Ry(x[4]) โโโโโโโค Ry(x[5]) โโโโโโโค Ry(x[6]) โโโโโโโโโโโโ โโโโโโโค X โโโโโโโ โโโโโโโค X โโโโโโโ โโโโโโโค X โโโโโโโโ โโโโโโโค X โโโโโโโโ โโโโโโยป
โโโโโโโโโโโโ โโโโโโโโโโโโ โโโโโโโโโโโโ โโโโโโโโโโโโ โโโโโโดโโโโโโโโโโโโโโโโโดโโโโโโโโโโโโโโโโโดโโโโโโโโโโโโโโโโโโดโโโโโโโโโโโโโโโโโโดโโโโโโยป
q_3: โโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโค Ry(x[7]) โโโโโโโค Ry(x[8]) โโโโโโโค Ry(x[9]) โโโโโโโค Ry(x[10]) โโโโโโโค Ry(x[11]) โยป
โโโโโโโโโโโโ โโโโโโโโโโโโ โโโโโโโโโโโโ โโโโโโโโโโโโโ โโโโโโโโโโโโโยป
ยซ โโโโโ โโโโโโโโโโโโ
ยซq_0: โโโโโโโโโโโโ โโโโโโโโโโโโโโโโโโ โโโโโโโโโโโโโโโโโโ โโโโโโโโโโค X โโโโโโค Ry(ฮธ[0]) โโโโ โโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโ
ยซ โ โโโโโ โ โ โโโโโค โโโโโโโโโโโโคโโโดโโโโโโโโโโโโโโ
ยซq_1: โโโโโโโโโโโโ โโโโโโโค X โโโโโโโโ โโโโโโโโโโโโโโโโโโ โโโโโโโโโโค X โโโโโโค Ry(ฮธ[1]) โโค X โโค Ry(ฮธ[2]) โโโโ โโโโโโโโโโโโโโโโโโโ
ยซ โโโโโ โ โโโโโค โ โโโโโ โ โโโโโค โโโโโโโโโโโโคโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโดโโโโโโโโโโโโโโ
ยซq_2: โค X โโโโโโโโ โโโโโโโค X โโโโโโโโ โโโโโโโค X โโโโโโโโ โโโโโโโโโโค X โโโโโโค Ry(ฮธ[3]) โโโโโโโโโโโโโโโโโโโค X โโค Ry(ฮธ[4]) โโโโ โโ
ยซ โโโโโโโโโโโโดโโโโโโโโโโโโโโโโโโดโโโโโโโโโโโโโโโโโโดโโโโโโโโโโดโโโโดโโโโโโโโโโโโโโโโ โโโโโโโโโโโโโโโโโโโโดโโ
ยซq_3: โโโโโโค Ry(x[12]) โโโโโโโค Ry(x[13]) โโโโโโโค Ry(x[14]) โโค Ry(ฮธ[5]) โโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโค X โ
ยซ โโโโโโโโโโโโโ โโโโโโโโโโโโโ โโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโ โโโโโ
The above figure uses amplitude encoding with MPS ansatz.
โโโโโโโโโโโโ โโโโโโโโโโโโ
q_0: โโค Rx(x[0]) โโโค Ry(ฮธ[0]) โโโโ โโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโ
โโโโโโโโโโโโค โโโโโโโโโโโโคโโโดโโโโโโโโโโโโโโโ
q_1: โโค Rx(x[1]) โโโค Ry(ฮธ[1]) โโค X โโค Ry(ฮธ[16]) โโโโ โโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโ
โโโโโโโโโโโโค โโโโโโโโโโโโคโโโโโโโโโโโโโโโโโโ โ
q_2: โโค Rx(x[2]) โโโค Ry(ฮธ[2]) โโโโ โโโโโโโโโโโโโโโโโโผโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโ
โโโโโโโโโโโโค โโโโโโโโโโโโคโโโดโโโโโโโโโโโโโโโโโโดโโโโโโโโโโโโโโโ
q_3: โโค Rx(x[3]) โโโค Ry(ฮธ[3]) โโค X โโค Ry(ฮธ[17]) โโค X โโค Ry(ฮธ[24]) โโโโ โโโโโโโโโโโโโโโโโโโโ
โโโโโโโโโโโโค โโโโโโโโโโโโคโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโ โ
q_4: โโค Rx(x[4]) โโโค Ry(ฮธ[4]) โโโโ โโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโผโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโ
โโโโโโโโโโโโค โโโโโโโโโโโโคโโโดโโโโโโโโโโโโโโโ โ
q_5: โโค Rx(x[5]) โโโค Ry(ฮธ[5]) โโค X โโค Ry(ฮธ[18]) โโโโ โโโโโโโโโโโโโโโโโโผโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโ
โโโโโโโโโโโโค โโโโโโโโโโโโคโโโโโโโโโโโโโโโโโโ โ โ
q_6: โโค Rx(x[6]) โโโค Ry(ฮธ[6]) โโโโ โโโโโโโโโโโโโโโโโโผโโโโโโโโโโโโโโโโโโผโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโ
โโโโโโโโโโโโค โโโโโโโโโโโโคโโโดโโโโโโโโโโโโโโโโโโดโโโโโโโโโโโโโโโโโโดโโโโโโโโโโโโโโโ
q_7: โโค Rx(x[7]) โโโค Ry(ฮธ[7]) โโค X โโค Ry(ฮธ[19]) โโค X โโค Ry(ฮธ[25]) โโค X โโค Ry(ฮธ[28]) โโโโ โโ
โโโโโโโโโโโโค โโโโโโโโโโโโคโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโ โ
q_8: โโค Rx(x[8]) โโโค Ry(ฮธ[8]) โโโโ โโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโผโโ
โโโโโโโโโโโโค โโโโโโโโโโโโคโโโดโโโโโโโโโโโโโโโ โ
q_9: โโค Rx(x[9]) โโโค Ry(ฮธ[9]) โโค X โโค Ry(ฮธ[20]) โโโโ โโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโผโโ
โโดโโโโโโโโโโโคโโดโโโโโโโโโโโคโโโโโโโโโโโโโโโโโโ โ โ
q_10: โค Rx(x[10]) โโค Ry(ฮธ[10]) โโโโ โโโโโโโโโโโโโโโโโโผโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโผโโ
โโโโโโโโโโโโโคโโโโโโโโโโโโโคโโโดโโโโโโโโโโโโโโโโโโดโโโโโโโโโโโโโโโ โ
q_11: โค Rx(x[11]) โโค Ry(ฮธ[11]) โโค X โโค Ry(ฮธ[21]) โโค X โโค Ry(ฮธ[26]) โโโโ โโโโโโโโโโโโโโโโโโผโโ
โโโโโโโโโโโโโคโโโโโโโโโโโโโคโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโ โ โ
q_12: โค Rx(x[12]) โโค Ry(ฮธ[12]) โโโโ โโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโผโโโโโโโโโโโโโโโโโโผโโ
โโโโโโโโโโโโโคโโโโโโโโโโโโโคโโโดโโโโโโโโโโโโโโโ โ โ
q_13: โค Rx(x[13]) โโค Ry(ฮธ[13]) โโค X โโค Ry(ฮธ[22]) โโโโ โโโโโโโโโโโโโโโโโโผโโโโโโโโโโโโโโโโโโผโโ
โโโโโโโโโโโโโคโโโโโโโโโโโโโคโโโโโโโโโโโโโโโโโโ โ โ โ
q_14: โค Rx(x[14]) โโค Ry(ฮธ[14]) โโโโ โโโโโโโโโโโโโโโโโโผโโโโโโโโโโโโโโโโโโผโโโโโโโโโโโโโโโโโโผโโ
โโโโโโโโโโโโโคโโโโโโโโโโโโโคโโโดโโโโโโโโโโโโโโโโโโดโโโโโโโโโโโโโโโโโโดโโโโโโโโโโโโโโโโโโดโโ
q_15: โค Rx(x[15]) โโค Ry(ฮธ[15]) โโค X โโค Ry(ฮธ[23]) โโค X โโค Ry(ฮธ[27]) โโค X โโค Ry(ฮธ[29]) โโค X โ
โโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโ
The above figure uses angle encoding with TTN ansatz.
We achieved a test accuracy of 93.7 with a training accuracy of 95.0 with amplitude encoding and SPSA optimizer for TTN. Similar results were obtained with MPS.
A general trend is that amplitude encoding gives the best train and test scores (90-95), followed by Qiskit's raw feature vector (70-80) and finally angle encoding (50-70). Angle encoding performance can be tuned by changing the encoding gates (
Visual representation
Data
Quantum feature map and TTN quantum circuit
A full quantum circuit with iris feature embedding embedding and TTN quantum circuit.
Quantum feature map and MPS quantum circuit
A full quantum circuit with iris feature embedding embedding and MPS quantum circuit.
Plots from wandb
These results give us a direction on what settings to use for upcoming training. The next focus will be to try different datasets and hybrid models. So far the Hybrid models that have been tested by us and not performing satisfiable and we aim to achieve greater accuracy with them.
@AntonSimen06, please do not forget to add a visual/image
We are on it. Thanks!
Slides for checkpoint 3.
Congratulations on completing all the requirements for QAMP Fall 2022!! ๐๐๐