論文の概要: Leveraging Machine Learning to Overcome Limitations in Quantum Algorithms
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2412.11405v1
- Date: Mon, 16 Dec 2024 03:14:14 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2024-12-17 13:55:02.242624
- Title: Leveraging Machine Learning to Overcome Limitations in Quantum Algorithms
- Title（参考訳）: 量子アルゴリズムの限界を克服する機械学習の活用
- Authors: Laia Coronas Sala, Parfait Atchade-Adelemou,
- Abstract要約: 本研究は,機械学習(ML)と量子アルゴリズムを組み合わせたハイブリッドフレームワークを提案する。
PubChemの分子特性を用いて,3つのデータセット(ケミカルディスクリプタ,クーロンマトリックス,ハイブリッド組み合わせ)を調製した。
XGBは4.41 pm 11.18%$で、RF(5.56 pm 11.66%$)とLGBM(5.32 pm 12.87%$)を上回った。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License:
- Abstract: Quantum Computing (QC) offers outstanding potential for molecular characterization and drug discovery, particularly in solving complex properties like the Ground State Energy (GSE) of biomolecules. However, QC faces challenges due to computational noise, scalability, and system complexity. This work presents a hybrid framework combining Machine Learning (ML) techniques with quantum algorithms$-$Variational Quantum Eigensolver (VQE), Hartree-Fock (HF), and Quantum Phase Estimation (QPE)$-$to improve GSE predictions for large molecules. Three datasets (chemical descriptors, Coulomb matrices, and a hybrid combination) were prepared using molecular features from PubChem. These datasets trained XGBoost (XGB), Random Forest (RF), and LightGBM (LGBM) models. XGB achieved the lowest Relative Error (RE) of $4.41 \pm 11.18\%$ on chemical descriptors, outperforming RF ($5.56 \pm 11.66\%$) and LGBM ($5.32 \pm 12.87\%$). HF delivered exceptional precision for small molecules ($0.44 \pm 0.66\% RE$), while a near-linear correlation between GSE and molecular electron count provided predictive shortcuts. This study demonstrates that integrating QC and ML enhances scalability for molecular energy predictions and lays the foundation for scaling QC molecular simulations to larger systems.
- Abstract（参考訳）: 量子コンピューティング(QC)は、特に生体分子の基底状態エネルギー(GSE)のような複雑な性質を解く際に、分子特性や薬物発見に優れた可能性をもたらす。
しかし、QCは計算ノイズ、スケーラビリティ、システムの複雑さといった問題に直面している。
本研究は、機械学習(ML)技術と量子アルゴリズムを組み合わせたハイブリッドフレームワークを、大規模分子のGSE予測を改善するために、VQE(Variational Quantum Eigensolver)、HF(Hartree-Fock)、量子位相推定(Quantum Phase Estimation、QPE)で提供する。
PubChemの分子特性を用いて,3つのデータセット(ケミカルディスクリプタ,クーロンマトリックス,ハイブリッド組み合わせ)を調製した。
これらのデータセットはXGBoost(XGB)、Random Forest(RF)、LightGBM(LGBM)モデルをトレーニングした。
XGB は RF (5.56 \pm 11.66\%$) と LGBM (5.32 \pm 12.87\%$) を上回り、化学記述子に対して 4.41 \pm 11.18\%$ の最小相対誤差 (RE) を達成した。
HFは小さな分子に対して例外的な精度(0.44 \pm 0.66\% RE$)を提供し、GSEと分子電子数とのほぼ直線的な相関は予測的ショートカットを提供した。
本研究では,QCとMLの統合により分子エネルギー予測のスケーラビリティが向上し,QC分子シミュレーションを大規模システムに拡張する基盤となることを示す。
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