量子物理
[提交于 2024年4月30日
(v1)
,最后修订 2025年4月29日 (此版本, v3)]
标题: Q-Newton:使用牛顿梯度下降加速神经网络训练的混合量子经典调度
标题: Q-Newton: Hybrid Quantum-Classical Scheduling for Accelerating Neural Network Training with Newton's Gradient Descent
摘要: 深度学习中的优化技术主要由一阶梯度方法引领,例如随机梯度下降(SGD)。 然而,神经网络训练可以极大地受益于二阶优化的快速收敛特性。 牛顿梯度下降在此类别中脱颖而出,它通过使用逆海森矩阵来重新缩放梯度。 然而,其主要瓶颈之一是矩阵求逆,这在$O(N^3)$时间内具有显著的计算时间,且扩展性较弱。 矩阵求逆可以转化为求解一系列线性方程。 鉴于量子线性求解算法(QLSAs),利用量子叠加和纠缠原理,可以在$\text{polylog}(N)$时间范围内运行,它们提供了一种具有指数加速潜力的方法。 具体而言,最近的QLSAs之一展示了复杂度为$O(d\cdot\kappa \log(N\cdot\kappa/\epsilon))$的规模,这取决于矩阵的{大小~$N$,条件数~$\kappa$,误差容限~$\epsilon$,量子预言稀疏性~$d$}。 然而,这也意味着它们的潜在指数优势可能受到某些特性(即$\kappa$和$d$)的阻碍。 我们提出了Q-Newton,一种用于加速牛顿梯度下降神经网络训练的混合量子-经典调度器。 Q-Newton利用一个简化的调度模块,在量子和经典线性求解器之间进行协调,通过估计和减少$\kappa$并为量子求解器构建$d$。 我们的评估展示了Q-Newton相比常用的优化器如SGD显著减少总训练时间的潜力。 我们假设了一个未来场景,其中量子机器的门时间将被减少,这可能通过阿秒物理实现。 我们的评估为量子计算的发展设定了一个雄心勃勃且有前景的目标。
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