論文の概要: Experimental quantum adversarial learning with programmable superconducting qubits

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2204.01738v1
• Date: Mon, 4 Apr 2022 18:00:00 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2022-04-06 12:59:03.763404
• Title: Experimental quantum adversarial learning with programmable superconducting qubits
• Title（参考訳）: プログラム可能な超伝導量子ビットを用いた量子逆学習
• Authors: Wenhui Ren, Weikang Li, Shibo Xu, Ke Wang, Wenjie Jiang, Feitong Jin, Xuhao Zhu, Jiachen Chen, Zixuan Song, Pengfei Zhang, Hang Dong, Xu Zhang, Jinfeng Deng, Yu Gao, Chuanyu Zhang, Yaozu Wu, Bing Zhang, Qiujiang Guo, Hekang Li, Zhen Wang, Jacob Biamonte, Chao Song, Dong-Ling Deng, H. Wang
• Abstract要約: プログラム可能な超伝導量子ビットを用いた量子対数学習の実験実験を行った。 本研究は,量子学習システムにおいて,敵対的シナリオ下での重大な脆弱性の側面を実験的に明らかにした。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 15.24718195264974
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Quantum computing promises to enhance machine learning and artificial intelligence. Different quantum algorithms have been proposed to improve a wide spectrum of machine learning tasks. Yet, recent theoretical works show that, similar to traditional classifiers based on deep classical neural networks, quantum classifiers would suffer from the vulnerability problem: adding tiny carefully-crafted perturbations to the legitimate original data samples would facilitate incorrect predictions at a notably high confidence level. This will pose serious problems for future quantum machine learning applications in safety and security-critical scenarios. Here, we report the first experimental demonstration of quantum adversarial learning with programmable superconducting qubits. We train quantum classifiers, which are built upon variational quantum circuits consisting of ten transmon qubits featuring average lifetimes of 150 $\mu$s, and average fidelities of simultaneous single- and two-qubit gates above 99.94% and 99.4% respectively, with both real-life images (e.g., medical magnetic resonance imaging scans) and quantum data. We demonstrate that these well-trained classifiers (with testing accuracy up to 99%) can be practically deceived by small adversarial perturbations, whereas an adversarial training process would significantly enhance their robustness to such perturbations. Our results reveal experimentally a crucial vulnerability aspect of quantum learning systems under adversarial scenarios and demonstrate an effective defense strategy against adversarial attacks, which provide a valuable guide for quantum artificial intelligence applications with both near-term and future quantum devices.
• Abstract（参考訳）: 量子コンピューティングは機械学習と人工知能を強化することを約束する。 さまざまな量子アルゴリズムが、幅広い機械学習タスクを改善するために提案されている。 しかし、最近の理論的研究は、深層古典型ニューラルネットワークに基づく従来の分類器と同様に、量子分類器は脆弱性の問題に苦しんでいることを示している。 これは、安全性とセキュリティクリティカルなシナリオにおける将来の量子機械学習アプリケーションに深刻な問題を引き起こす。 本稿では,プログラム可能な超伝導量子ビットを用いた量子逆学習の最初の実験実験を行う。 我々は、平均寿命150ドルのトランスモン量子ビットと、それぞれ99.94%と99.4%以上の1量子ビットゲートと2量子ビットゲートの平均フィダリティからなる変動量子回路と、実際の画像(例えば、医用磁気共鳴イメージングスキャン)と量子データからなる量子分類器を訓練する。 これらの十分に訓練された分類器(最大99%までの精度)は、小さな逆摂動によって実質的に欺くことができるが、逆行的な訓練プロセスでは、そのような摂動に対する強固さが著しく向上する。 本研究は, 量子学習システムにおいて, 敵のシナリオ下での重要な脆弱性を実験的に明らかにし, 敵の攻撃に対する効果的な防御戦略を示すものである。

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