Rumore

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Il rumore è presente nei moderni computer quantistici. I qubit sono suscettibili alle interferenze dell'ambiente circostante, alla fabbricazione imperfetta, ai TLS e talvolta anche ai raggi gamma . Fino a quando non si raggiunge la correzione degli errori su larga scala, gli algoritmi odierni devono essere in grado di rimanere funzionali in presenza di rumore. Ciò rende il test degli algoritmi sotto rumore un passaggio importante per la convalida degli algoritmi/modelli quantistici che funzioneranno sui computer quantistici di oggi.

In questo tutorial esplorerai le basi della simulazione di circuiti rumorosi in TFQ tramite l'API tfq.layers di alto livello.

Impostare

pip install tensorflow==2.7.0 tensorflow-quantum
pip install -q git+https://github.com/tensorflow/docs
# Update package resources to account for version changes.
import importlib, pkg_resources
importlib.reload(pkg_resources)
<module 'pkg_resources' from '/tmpfs/src/tf_docs_env/lib/python3.7/site-packages/pkg_resources/__init__.py'>
import random
import cirq
import sympy
import tensorflow_quantum as tfq
import tensorflow as tf
import numpy as np
# Plotting
import matplotlib.pyplot as plt
import tensorflow_docs as tfdocs
import tensorflow_docs.plots
2022-02-04 12:35:30.853880: E tensorflow/stream_executor/cuda/cuda_driver.cc:271] failed call to cuInit: CUDA_ERROR_NO_DEVICE: no CUDA-capable device is detected

1. Comprendere il rumore quantistico

1.1 Rumore del circuito di base

Il rumore su un computer quantistico influisce sui campioni di stringhe di bit che puoi misurare da esso. Un modo intuitivo in cui puoi iniziare a pensarci è che un computer quantistico rumoroso "inserirà", "eliminerà" o "sostituirà" le porte in luoghi casuali come il diagramma seguente:

Basandosi su questa intuizione, quando si ha a che fare con il rumore, non si utilizza più un singolo stato puro \(|\psi \rangle\) ma si ha invece a che fare con un insieme di tutte le possibili realizzazioni rumorose del circuito desiderato: \(\rho = \sum_j p_j |\psi_j \rangle \langle \psi_j |\) . Dove \(p_j\) fornisce la probabilità che il sistema sia in \(|\psi_j \rangle\) .

Rivisitando l'immagine sopra, se sapessimo in anticipo che il 90% delle volte il nostro sistema ha funzionato perfettamente, o ha sbagliato il 10% delle volte con solo questa modalità di errore, allora il nostro insieme sarebbe:

\(\rho = 0.9 |\psi_\text{desired} \rangle \langle \psi_\text{desired}| + 0.1 |\psi_\text{noisy} \rangle \langle \psi_\text{noisy}| \)

Se ci fosse più di un solo modo in cui il nostro circuito potrebbe sbagliare, l'insieme \(\rho\) conterrebbe più di due termini (uno per ogni nuova realizzazione rumorosa che potrebbe verificarsi). \(\rho\) è indicato come la matrice di densità che descrive il sistema rumoroso.

1.2 Utilizzo dei canali per modellare il rumore del circuito

Sfortunatamente in pratica è quasi impossibile conoscere tutti i modi in cui il tuo circuito potrebbe sbagliare e le loro esatte probabilità. Un presupposto semplificativo che puoi fare è che dopo ogni operazione nel tuo circuito c'è una sorta di canale che cattura approssimativamente come quell'operazione potrebbe essere un errore. Puoi creare rapidamente un circuito con un po' di rumore:

def x_circuit(qubits):
  """Produces an X wall circuit on `qubits`."""
  return cirq.Circuit(cirq.X.on_each(*qubits))

def make_noisy(circuit, p):
  """Add a depolarization channel to all qubits in `circuit` before measurement."""
  return circuit + cirq.Circuit(cirq.depolarize(p).on_each(*circuit.all_qubits()))

my_qubits = cirq.GridQubit.rect(1, 2)
my_circuit = x_circuit(my_qubits)
my_noisy_circuit = make_noisy(my_circuit, 0.5)
my_circuit
my_noisy_circuit

È possibile esaminare la matrice di densità silenziosa \(\rho\) con:

rho = cirq.final_density_matrix(my_circuit)
np.round(rho, 3)
array([[0.+0.j, 0.+0.j, 0.+0.j, 0.+0.j],
       [0.+0.j, 0.+0.j, 0.+0.j, 0.+0.j],
       [0.+0.j, 0.+0.j, 0.+0.j, 0.+0.j],
       [0.+0.j, 0.+0.j, 0.+0.j, 1.+0.j]], dtype=complex64)

E la matrice di densità rumorosa \(\rho\) con:

rho = cirq.final_density_matrix(my_noisy_circuit)
np.round(rho, 3)
array([[0.111+0.j, 0.   +0.j, 0.   +0.j, 0.   +0.j],
       [0.   +0.j, 0.222+0.j, 0.   +0.j, 0.   +0.j],
       [0.   +0.j, 0.   +0.j, 0.222+0.j, 0.   +0.j],
       [0.   +0.j, 0.   +0.j, 0.   +0.j, 0.444+0.j]], dtype=complex64)

Confrontando i due diversi \( \rho \) si può notare che il rumore ha influenzato le ampiezze dello stato (e di conseguenza le probabilità di campionamento). Nel caso silenzioso ti aspetteresti sempre di campionare lo stato \( |11\rangle \) . Ma nello stato rumoroso ora c'è una probabilità diversa da zero di campionare anche \( |00\rangle \) o \( |01\rangle \) o \( |10\rangle \) :

"""Sample from my_noisy_circuit."""
def plot_samples(circuit):
  samples = cirq.sample(circuit + cirq.measure(*circuit.all_qubits(), key='bits'), repetitions=1000)
  freqs, _ = np.histogram(samples.data['bits'], bins=[i+0.01 for i in range(-1,2** len(my_qubits))])
  plt.figure(figsize=(10,5))
  plt.title('Noisy Circuit Sampling')
  plt.xlabel('Bitstring')
  plt.ylabel('Frequency')
  plt.bar([i for i in range(2** len(my_qubits))], freqs, tick_label=['00','01','10','11'])

plot_samples(my_noisy_circuit)

png

Senza alcun rumore otterrai sempre \(|11\rangle\):

"""Sample from my_circuit."""
plot_samples(my_circuit)

png

Se aumenti ulteriormente il rumore, diventerà sempre più difficile distinguere il comportamento desiderato (campionamento \(|11\rangle\) ) dal rumore:

my_really_noisy_circuit = make_noisy(my_circuit, 0.75)
plot_samples(my_really_noisy_circuit)

png

2. Rumore di base in TFQ

Con questa comprensione di come il rumore può influire sull'esecuzione del circuito, puoi esplorare come funziona il rumore in TFQ. TensorFlow Quantum utilizza la simulazione monte-carlo/basata sulla traiettoria come alternativa alla simulazione della matrice di densità. Questo perché la complessità della memoria della simulazione della matrice di densità limita le simulazioni di grandi dimensioni a <= 20 qubit con i tradizionali metodi di simulazione della matrice a densità piena. Monte-carlo / traiettoria scambia questo costo in memoria con un costo aggiuntivo nel tempo. L'opzione backend='noisy' è disponibile per tutti tfq.layers.Sample , tfq.layers.SampledExpectation e tfq.layers.Expectation (nel caso di Expectation questo aggiunge un parametro di repetitions richiesto).

2.1 Campionamento rumoroso in TFQ

Per ricreare i grafici di cui sopra usando TFQ e la simulazione della traiettoria puoi usare tfq.layers.Sample

"""Draw bitstring samples from `my_noisy_circuit`"""
bitstrings = tfq.layers.Sample(backend='noisy')(my_noisy_circuit, repetitions=1000)
numeric_values = np.einsum('ijk,k->ij', bitstrings.to_tensor().numpy(), [1, 2])[0]
freqs, _ = np.histogram(numeric_values, bins=[i+0.01 for i in range(-1,2** len(my_qubits))])
plt.figure(figsize=(10,5))
plt.title('Noisy Circuit Sampling')
plt.xlabel('Bitstring')
plt.ylabel('Frequency')
plt.bar([i for i in range(2** len(my_qubits))], freqs, tick_label=['00','01','10','11'])
<BarContainer object of 4 artists>

png

2.2 Aspettativa basata su campioni rumorosi

Per eseguire calcoli di aspettativa basati su campioni rumorosi è possibile utilizzare tfq.layers.SampleExpectation :

some_observables = [cirq.X(my_qubits[0]), cirq.Z(my_qubits[0]), 3.0 * cirq.Y(my_qubits[1]) + 1]
some_observables
[cirq.X(cirq.GridQubit(0, 0)),
 cirq.Z(cirq.GridQubit(0, 0)),
 cirq.PauliSum(cirq.LinearDict({frozenset({(cirq.GridQubit(0, 1), cirq.Y)}): (3+0j), frozenset(): (1+0j)}))]

Calcola le stime di aspettativa senza rumore tramite campionamento dal circuito:

noiseless_sampled_expectation = tfq.layers.SampledExpectation(backend='noiseless')(
    my_circuit, operators=some_observables, repetitions=10000
)
noiseless_sampled_expectation.numpy()
array([[-0.0028, -1.    ,  1.0264]], dtype=float32)

Confronta quelli con le versioni rumorose:

noisy_sampled_expectation = tfq.layers.SampledExpectation(backend='noisy')(
    [my_noisy_circuit, my_really_noisy_circuit], operators=some_observables, repetitions=10000
)
noisy_sampled_expectation.numpy()
array([[ 0.0242    , -0.33200002,  1.0138001 ],
       [ 0.0108    , -0.0012    ,  0.9502    ]], dtype=float32)

Puoi vedere che il rumore ha avuto un impatto particolare sulla precisione \(\langle \psi | Z | \psi \rangle\) , con my_really_noisy_circuit si è concentrato molto rapidamente verso 0.

2.3 Calcolo dell'aspettativa analitica rumorosa

L'esecuzione di rumorosi calcoli delle aspettative analitiche è quasi identica a quanto sopra:

noiseless_analytic_expectation = tfq.layers.Expectation(backend='noiseless')(
    my_circuit, operators=some_observables
)
noiseless_analytic_expectation.numpy()
array([[ 1.9106853e-15, -1.0000000e+00,  1.0000002e+00]], dtype=float32)
noisy_analytic_expectation = tfq.layers.Expectation(backend='noisy')(
    [my_noisy_circuit, my_really_noisy_circuit], operators=some_observables, repetitions=10000
)
noisy_analytic_expectation.numpy()
array([[ 1.9106850e-15, -3.3359998e-01,  1.0000000e+00],
       [ 1.9106857e-15, -3.8000005e-03,  1.0000001e+00]], dtype=float32)

3. Modelli ibridi e rumore dei dati quantistici

Ora che hai implementato alcune simulazioni di circuiti rumorosi in TFQ, puoi sperimentare in che modo il rumore influisce sui modelli quantistici classici e ibridi, confrontando e confrontando le loro prestazioni rumorose e silenziose. Un buon primo controllo per vedere se un modello o un algoritmo è robusto al rumore consiste nel testare un modello depolarizzante a livello di circuito che assomiglia a questo:

Dove ogni intervallo di tempo del circuito (a volte indicato come momento) ha un canale depolarizzante aggiunto dopo ogni operazione di gate in quell'intervallo di tempo. Il canale depolarizzante con applica uno di \(\{X, Y, Z \}\) con probabilità \(p\) o non applica nulla (mantieni l'operazione originale) con probabilità \(1-p\).

3.1 Dati

Per questo esempio puoi utilizzare alcuni circuiti preparati nel modulo tfq.datasets come dati di addestramento:

qubits = cirq.GridQubit.rect(1, 8)
circuits, labels, pauli_sums, _ = tfq.datasets.xxz_chain(qubits, 'closed')
circuits[0]
Downloading data from https://storage.googleapis.com/download.tensorflow.org/data/quantum/spin_systems/XXZ_chain.zip 
184451072/184449737 [==============================] - 2s 0us/step
184459264/184449737 [==============================] - 2s 0us/step

Scrivere una piccola funzione di supporto aiuterà a generare i dati per il caso rumoroso vs silenzioso:

def get_data(qubits, depolarize_p=0.):
  """Return quantum data circuits and labels in `tf.Tensor` form."""
  circuits, labels, pauli_sums, _ = tfq.datasets.xxz_chain(qubits, 'closed')
  if depolarize_p >= 1e-5:
    circuits = [circuit.with_noise(cirq.depolarize(depolarize_p)) for circuit in circuits]
  tmp = list(zip(circuits, labels))
  random.shuffle(tmp)
  circuits_tensor = tfq.convert_to_tensor([x[0] for x in tmp])
  labels_tensor = tf.convert_to_tensor([x[1] for x in tmp])

  return circuits_tensor, labels_tensor

3.2 Definire un circuito modello

Ora che hai dati quantistici sotto forma di circuiti, avrai bisogno di un circuito per modellare questi dati, come con i dati puoi scrivere una funzione di supporto per generare questo circuito che contiene facoltativamente rumore:

def modelling_circuit(qubits, depth, depolarize_p=0.):
  """A simple classifier circuit."""
  dim = len(qubits)
  ret = cirq.Circuit(cirq.H.on_each(*qubits))

  for i in range(depth):
    # Entangle layer.
    ret += cirq.Circuit(cirq.CX(q1, q2) for (q1, q2) in zip(qubits[::2], qubits[1::2]))
    ret += cirq.Circuit(cirq.CX(q1, q2) for (q1, q2) in zip(qubits[1::2], qubits[2::2]))
    # Learnable rotation layer.
    # i_params = sympy.symbols(f'layer-{i}-0:{dim}')
    param = sympy.Symbol(f'layer-{i}')
    single_qb = cirq.X
    if i % 2 == 1:
      single_qb = cirq.Y
    ret += cirq.Circuit(single_qb(q) ** param for q in qubits)

  if depolarize_p >= 1e-5:
    ret = ret.with_noise(cirq.depolarize(depolarize_p))

  return ret, [op(q) for q in qubits for op in [cirq.X, cirq.Y, cirq.Z]]

modelling_circuit(qubits, 3)[0]

3.3 Costruzione del modello e formazione

Con i dati e il circuito modello costruiti, la funzione di supporto finale di cui avrai bisogno è quella in grado di assemblare un tf.keras.Model ibrido quantistico rumoroso o silenzioso:

def build_keras_model(qubits, depolarize_p=0.):
  """Prepare a noisy hybrid quantum classical Keras model."""
  spin_input = tf.keras.Input(shape=(), dtype=tf.dtypes.string)

  circuit_and_readout = modelling_circuit(qubits, 4, depolarize_p)
  if depolarize_p >= 1e-5:
    quantum_model = tfq.layers.NoisyPQC(*circuit_and_readout, sample_based=False, repetitions=10)(spin_input)
  else:
    quantum_model = tfq.layers.PQC(*circuit_and_readout)(spin_input)

  intermediate = tf.keras.layers.Dense(4, activation='sigmoid')(quantum_model)
  post_process = tf.keras.layers.Dense(1)(intermediate)

  return tf.keras.Model(inputs=[spin_input], outputs=[post_process])

4. Confronta le prestazioni

4.1 Linea di base silenziosa

Con la generazione dei dati e il codice di costruzione del modello, ora puoi confrontare e confrontare le prestazioni del modello nelle impostazioni noiseless e noisey, prima puoi eseguire un training di riferimento senza rumore:

training_histories = dict()
depolarize_p = 0.
n_epochs = 50
phase_classifier = build_keras_model(qubits, depolarize_p)

phase_classifier.compile(optimizer=tf.keras.optimizers.Adam(learning_rate=0.02),
                   loss=tf.keras.losses.BinaryCrossentropy(from_logits=True),
                   metrics=['accuracy'])


# Show the keras plot of the model
tf.keras.utils.plot_model(phase_classifier, show_shapes=True, dpi=70)

png

noiseless_data, noiseless_labels = get_data(qubits, depolarize_p)
training_histories['noiseless'] = phase_classifier.fit(x=noiseless_data,
                         y=noiseless_labels,
                         batch_size=16,
                         epochs=n_epochs,
                         validation_split=0.15,
                         verbose=1)
Epoch 1/50
4/4 [==============================] - 1s 133ms/step - loss: 0.7212 - accuracy: 0.4688 - val_loss: 0.6834 - val_accuracy: 0.5000
Epoch 2/50
4/4 [==============================] - 0s 80ms/step - loss: 0.6787 - accuracy: 0.4688 - val_loss: 0.6640 - val_accuracy: 0.5000
Epoch 3/50
4/4 [==============================] - 0s 76ms/step - loss: 0.6637 - accuracy: 0.4688 - val_loss: 0.6529 - val_accuracy: 0.5000
Epoch 4/50
4/4 [==============================] - 0s 78ms/step - loss: 0.6505 - accuracy: 0.4688 - val_loss: 0.6423 - val_accuracy: 0.5000
Epoch 5/50
4/4 [==============================] - 0s 77ms/step - loss: 0.6409 - accuracy: 0.4688 - val_loss: 0.6322 - val_accuracy: 0.5000
Epoch 6/50
4/4 [==============================] - 0s 77ms/step - loss: 0.6300 - accuracy: 0.4844 - val_loss: 0.6187 - val_accuracy: 0.5000
Epoch 7/50
4/4 [==============================] - 0s 77ms/step - loss: 0.6171 - accuracy: 0.5781 - val_loss: 0.6007 - val_accuracy: 0.5000
Epoch 8/50
4/4 [==============================] - 0s 79ms/step - loss: 0.6008 - accuracy: 0.6250 - val_loss: 0.5825 - val_accuracy: 0.5833
Epoch 9/50
4/4 [==============================] - 0s 76ms/step - loss: 0.5864 - accuracy: 0.6406 - val_loss: 0.5610 - val_accuracy: 0.6667
Epoch 10/50
4/4 [==============================] - 0s 77ms/step - loss: 0.5670 - accuracy: 0.6719 - val_loss: 0.5406 - val_accuracy: 0.8333
Epoch 11/50
4/4 [==============================] - 0s 79ms/step - loss: 0.5474 - accuracy: 0.6875 - val_loss: 0.5173 - val_accuracy: 0.9167
Epoch 12/50
4/4 [==============================] - 0s 77ms/step - loss: 0.5276 - accuracy: 0.7188 - val_loss: 0.4941 - val_accuracy: 0.9167
Epoch 13/50
4/4 [==============================] - 0s 75ms/step - loss: 0.5066 - accuracy: 0.7500 - val_loss: 0.4686 - val_accuracy: 0.9167
Epoch 14/50
4/4 [==============================] - 0s 76ms/step - loss: 0.4838 - accuracy: 0.7812 - val_loss: 0.4437 - val_accuracy: 0.9167
Epoch 15/50
4/4 [==============================] - 0s 76ms/step - loss: 0.4618 - accuracy: 0.8281 - val_loss: 0.4182 - val_accuracy: 0.9167
Epoch 16/50
4/4 [==============================] - 0s 76ms/step - loss: 0.4386 - accuracy: 0.8281 - val_loss: 0.3930 - val_accuracy: 1.0000
Epoch 17/50
4/4 [==============================] - 0s 79ms/step - loss: 0.4158 - accuracy: 0.8438 - val_loss: 0.3673 - val_accuracy: 1.0000
Epoch 18/50
4/4 [==============================] - 0s 79ms/step - loss: 0.3944 - accuracy: 0.8438 - val_loss: 0.3429 - val_accuracy: 1.0000
Epoch 19/50
4/4 [==============================] - 0s 77ms/step - loss: 0.3735 - accuracy: 0.8594 - val_loss: 0.3203 - val_accuracy: 1.0000
Epoch 20/50
4/4 [==============================] - 0s 77ms/step - loss: 0.3535 - accuracy: 0.8750 - val_loss: 0.2998 - val_accuracy: 1.0000
Epoch 21/50
4/4 [==============================] - 0s 78ms/step - loss: 0.3345 - accuracy: 0.8906 - val_loss: 0.2815 - val_accuracy: 1.0000
Epoch 22/50
4/4 [==============================] - 0s 76ms/step - loss: 0.3168 - accuracy: 0.8906 - val_loss: 0.2640 - val_accuracy: 1.0000
Epoch 23/50
4/4 [==============================] - 0s 76ms/step - loss: 0.3017 - accuracy: 0.9062 - val_loss: 0.2465 - val_accuracy: 1.0000
Epoch 24/50
4/4 [==============================] - 0s 76ms/step - loss: 0.2840 - accuracy: 0.9219 - val_loss: 0.2328 - val_accuracy: 1.0000
Epoch 25/50
4/4 [==============================] - 0s 76ms/step - loss: 0.2700 - accuracy: 0.9219 - val_loss: 0.2181 - val_accuracy: 1.0000
Epoch 26/50
4/4 [==============================] - 0s 76ms/step - loss: 0.2566 - accuracy: 0.9219 - val_loss: 0.2053 - val_accuracy: 1.0000
Epoch 27/50
4/4 [==============================] - 0s 77ms/step - loss: 0.2445 - accuracy: 0.9375 - val_loss: 0.1935 - val_accuracy: 1.0000
Epoch 28/50
4/4 [==============================] - 0s 76ms/step - loss: 0.2332 - accuracy: 0.9375 - val_loss: 0.1839 - val_accuracy: 1.0000
Epoch 29/50
4/4 [==============================] - 0s 78ms/step - loss: 0.2227 - accuracy: 0.9375 - val_loss: 0.1734 - val_accuracy: 1.0000
Epoch 30/50
4/4 [==============================] - 0s 76ms/step - loss: 0.2145 - accuracy: 0.9375 - val_loss: 0.1630 - val_accuracy: 1.0000
Epoch 31/50
4/4 [==============================] - 0s 76ms/step - loss: 0.2047 - accuracy: 0.9375 - val_loss: 0.1564 - val_accuracy: 1.0000
Epoch 32/50
4/4 [==============================] - 0s 76ms/step - loss: 0.1971 - accuracy: 0.9375 - val_loss: 0.1525 - val_accuracy: 1.0000
Epoch 33/50
4/4 [==============================] - 0s 75ms/step - loss: 0.1894 - accuracy: 0.9531 - val_loss: 0.1464 - val_accuracy: 1.0000
Epoch 34/50
4/4 [==============================] - 0s 74ms/step - loss: 0.1825 - accuracy: 0.9531 - val_loss: 0.1407 - val_accuracy: 1.0000
Epoch 35/50
4/4 [==============================] - 0s 77ms/step - loss: 0.1771 - accuracy: 0.9531 - val_loss: 0.1330 - val_accuracy: 1.0000
Epoch 36/50
4/4 [==============================] - 0s 75ms/step - loss: 0.1704 - accuracy: 0.9531 - val_loss: 0.1288 - val_accuracy: 1.0000
Epoch 37/50
4/4 [==============================] - 0s 76ms/step - loss: 0.1647 - accuracy: 0.9531 - val_loss: 0.1237 - val_accuracy: 1.0000
Epoch 38/50
4/4 [==============================] - 0s 80ms/step - loss: 0.1603 - accuracy: 0.9531 - val_loss: 0.1221 - val_accuracy: 1.0000
Epoch 39/50
4/4 [==============================] - 0s 76ms/step - loss: 0.1551 - accuracy: 0.9688 - val_loss: 0.1177 - val_accuracy: 1.0000
Epoch 40/50
4/4 [==============================] - 0s 75ms/step - loss: 0.1509 - accuracy: 0.9688 - val_loss: 0.1136 - val_accuracy: 1.0000
Epoch 41/50
4/4 [==============================] - 0s 76ms/step - loss: 0.1466 - accuracy: 0.9688 - val_loss: 0.1110 - val_accuracy: 1.0000
Epoch 42/50
4/4 [==============================] - 0s 76ms/step - loss: 0.1426 - accuracy: 0.9688 - val_loss: 0.1083 - val_accuracy: 1.0000
Epoch 43/50
4/4 [==============================] - 0s 75ms/step - loss: 0.1386 - accuracy: 0.9688 - val_loss: 0.1050 - val_accuracy: 1.0000
Epoch 44/50
4/4 [==============================] - 0s 83ms/step - loss: 0.1362 - accuracy: 0.9688 - val_loss: 0.0989 - val_accuracy: 1.0000
Epoch 45/50
4/4 [==============================] - 0s 78ms/step - loss: 0.1324 - accuracy: 0.9688 - val_loss: 0.0978 - val_accuracy: 1.0000
Epoch 46/50
4/4 [==============================] - 0s 77ms/step - loss: 0.1290 - accuracy: 0.9688 - val_loss: 0.0964 - val_accuracy: 1.0000
Epoch 47/50
4/4 [==============================] - 0s 75ms/step - loss: 0.1265 - accuracy: 0.9688 - val_loss: 0.0929 - val_accuracy: 1.0000
Epoch 48/50
4/4 [==============================] - 0s 77ms/step - loss: 0.1234 - accuracy: 0.9688 - val_loss: 0.0923 - val_accuracy: 1.0000
Epoch 49/50
4/4 [==============================] - 0s 77ms/step - loss: 0.1213 - accuracy: 0.9688 - val_loss: 0.0903 - val_accuracy: 1.0000
Epoch 50/50
4/4 [==============================] - 0s 77ms/step - loss: 0.1182 - accuracy: 0.9688 - val_loss: 0.0885 - val_accuracy: 1.0000

Ed esplorare i risultati e l'accuratezza:

loss_plotter = tfdocs.plots.HistoryPlotter(metric = 'loss', smoothing_std=10)
loss_plotter.plot(training_histories)

png

acc_plotter = tfdocs.plots.HistoryPlotter(metric = 'accuracy', smoothing_std=10)
acc_plotter.plot(training_histories)

png

4.2 Confronto rumoroso

Ora puoi costruire un nuovo modello con una struttura rumorosa e confrontare con quanto sopra, il codice è quasi identico:

depolarize_p = 0.001
n_epochs = 50
noisy_phase_classifier = build_keras_model(qubits, depolarize_p)

noisy_phase_classifier.compile(optimizer=tf.keras.optimizers.Adam(learning_rate=0.02),
                   loss=tf.keras.losses.BinaryCrossentropy(from_logits=True),
                   metrics=['accuracy'])


# Show the keras plot of the model
tf.keras.utils.plot_model(noisy_phase_classifier, show_shapes=True, dpi=70)

png

noisy_data, noisy_labels = get_data(qubits, depolarize_p)
training_histories['noisy'] = noisy_phase_classifier.fit(x=noisy_data,
                         y=noisy_labels,
                         batch_size=16,
                         epochs=n_epochs,
                         validation_split=0.15,
                         verbose=1)
Epoch 1/50
4/4 [==============================] - 8s 2s/step - loss: 0.8265 - accuracy: 0.4844 - val_loss: 0.8369 - val_accuracy: 0.4167
Epoch 2/50
4/4 [==============================] - 7s 2s/step - loss: 0.7613 - accuracy: 0.4844 - val_loss: 0.7695 - val_accuracy: 0.4167
Epoch 3/50
4/4 [==============================] - 7s 2s/step - loss: 0.7151 - accuracy: 0.4844 - val_loss: 0.7290 - val_accuracy: 0.4167
Epoch 4/50
4/4 [==============================] - 7s 2s/step - loss: 0.6915 - accuracy: 0.4844 - val_loss: 0.7014 - val_accuracy: 0.4167
Epoch 5/50
4/4 [==============================] - 7s 2s/step - loss: 0.6837 - accuracy: 0.4844 - val_loss: 0.6811 - val_accuracy: 0.4167
Epoch 6/50
4/4 [==============================] - 7s 2s/step - loss: 0.6717 - accuracy: 0.4844 - val_loss: 0.6801 - val_accuracy: 0.4167
Epoch 7/50
4/4 [==============================] - 7s 2s/step - loss: 0.6739 - accuracy: 0.4844 - val_loss: 0.6726 - val_accuracy: 0.4167
Epoch 8/50
4/4 [==============================] - 7s 2s/step - loss: 0.6713 - accuracy: 0.4844 - val_loss: 0.6661 - val_accuracy: 0.4167
Epoch 9/50
4/4 [==============================] - 7s 2s/step - loss: 0.6710 - accuracy: 0.4844 - val_loss: 0.6667 - val_accuracy: 0.4167
Epoch 10/50
4/4 [==============================] - 7s 2s/step - loss: 0.6669 - accuracy: 0.4844 - val_loss: 0.6627 - val_accuracy: 0.4167
Epoch 11/50
4/4 [==============================] - 7s 2s/step - loss: 0.6637 - accuracy: 0.4844 - val_loss: 0.6550 - val_accuracy: 0.4167
Epoch 12/50
4/4 [==============================] - 7s 2s/step - loss: 0.6616 - accuracy: 0.4844 - val_loss: 0.6593 - val_accuracy: 0.4167
Epoch 13/50
4/4 [==============================] - 7s 2s/step - loss: 0.6536 - accuracy: 0.4844 - val_loss: 0.6514 - val_accuracy: 0.4167
Epoch 14/50
4/4 [==============================] - 7s 2s/step - loss: 0.6489 - accuracy: 0.4844 - val_loss: 0.6481 - val_accuracy: 0.4167
Epoch 15/50
4/4 [==============================] - 7s 2s/step - loss: 0.6491 - accuracy: 0.4844 - val_loss: 0.6484 - val_accuracy: 0.4167
Epoch 16/50
4/4 [==============================] - 7s 2s/step - loss: 0.6389 - accuracy: 0.4844 - val_loss: 0.6396 - val_accuracy: 0.4167
Epoch 17/50
4/4 [==============================] - 7s 2s/step - loss: 0.6307 - accuracy: 0.4844 - val_loss: 0.6337 - val_accuracy: 0.4167
Epoch 18/50
4/4 [==============================] - 7s 2s/step - loss: 0.6296 - accuracy: 0.4844 - val_loss: 0.6260 - val_accuracy: 0.4167
Epoch 19/50
4/4 [==============================] - 7s 2s/step - loss: 0.6194 - accuracy: 0.4844 - val_loss: 0.6282 - val_accuracy: 0.4167
Epoch 20/50
4/4 [==============================] - 7s 2s/step - loss: 0.6095 - accuracy: 0.4844 - val_loss: 0.6138 - val_accuracy: 0.4167
Epoch 21/50
4/4 [==============================] - 7s 2s/step - loss: 0.6075 - accuracy: 0.4844 - val_loss: 0.5874 - val_accuracy: 0.4167
Epoch 22/50
4/4 [==============================] - 7s 2s/step - loss: 0.5981 - accuracy: 0.4844 - val_loss: 0.5981 - val_accuracy: 0.4167
Epoch 23/50
4/4 [==============================] - 7s 2s/step - loss: 0.5823 - accuracy: 0.4844 - val_loss: 0.5818 - val_accuracy: 0.4167
Epoch 24/50
4/4 [==============================] - 7s 2s/step - loss: 0.5768 - accuracy: 0.4844 - val_loss: 0.5617 - val_accuracy: 0.4167
Epoch 25/50
4/4 [==============================] - 7s 2s/step - loss: 0.5651 - accuracy: 0.4844 - val_loss: 0.5638 - val_accuracy: 0.4167
Epoch 26/50
4/4 [==============================] - 7s 2s/step - loss: 0.5496 - accuracy: 0.4844 - val_loss: 0.5532 - val_accuracy: 0.4167
Epoch 27/50
4/4 [==============================] - 7s 2s/step - loss: 0.5340 - accuracy: 0.5000 - val_loss: 0.5345 - val_accuracy: 0.4167
Epoch 28/50
4/4 [==============================] - 7s 2s/step - loss: 0.5297 - accuracy: 0.5156 - val_loss: 0.5308 - val_accuracy: 0.4167
Epoch 29/50
4/4 [==============================] - 7s 2s/step - loss: 0.5120 - accuracy: 0.5312 - val_loss: 0.5224 - val_accuracy: 0.5000
Epoch 30/50
4/4 [==============================] - 7s 2s/step - loss: 0.4992 - accuracy: 0.5781 - val_loss: 0.4921 - val_accuracy: 0.5833
Epoch 31/50
4/4 [==============================] - 7s 2s/step - loss: 0.4823 - accuracy: 0.5938 - val_loss: 0.4975 - val_accuracy: 0.5000
Epoch 32/50
4/4 [==============================] - 7s 2s/step - loss: 0.5025 - accuracy: 0.5781 - val_loss: 0.4814 - val_accuracy: 0.5000
Epoch 33/50
4/4 [==============================] - 7s 2s/step - loss: 0.4655 - accuracy: 0.6562 - val_loss: 0.4391 - val_accuracy: 0.6667
Epoch 34/50
4/4 [==============================] - 7s 2s/step - loss: 0.4552 - accuracy: 0.7031 - val_loss: 0.4528 - val_accuracy: 0.5833
Epoch 35/50
4/4 [==============================] - 7s 2s/step - loss: 0.4516 - accuracy: 0.6719 - val_loss: 0.3993 - val_accuracy: 0.8333
Epoch 36/50
4/4 [==============================] - 7s 2s/step - loss: 0.4320 - accuracy: 0.7656 - val_loss: 0.4225 - val_accuracy: 0.6667
Epoch 37/50
4/4 [==============================] - 7s 2s/step - loss: 0.4060 - accuracy: 0.7656 - val_loss: 0.4001 - val_accuracy: 0.9167
Epoch 38/50
4/4 [==============================] - 7s 2s/step - loss: 0.3858 - accuracy: 0.7812 - val_loss: 0.4152 - val_accuracy: 0.8333
Epoch 39/50
4/4 [==============================] - 7s 2s/step - loss: 0.3964 - accuracy: 0.7656 - val_loss: 0.3899 - val_accuracy: 0.7500
Epoch 40/50
4/4 [==============================] - 7s 2s/step - loss: 0.3640 - accuracy: 0.8125 - val_loss: 0.3689 - val_accuracy: 0.7500
Epoch 41/50
4/4 [==============================] - 7s 2s/step - loss: 0.3676 - accuracy: 0.7812 - val_loss: 0.3786 - val_accuracy: 0.7500
Epoch 42/50
4/4 [==============================] - 7s 2s/step - loss: 0.3466 - accuracy: 0.8281 - val_loss: 0.3313 - val_accuracy: 0.8333
Epoch 43/50
4/4 [==============================] - 7s 2s/step - loss: 0.3520 - accuracy: 0.8594 - val_loss: 0.3398 - val_accuracy: 0.8333
Epoch 44/50
4/4 [==============================] - 7s 2s/step - loss: 0.3402 - accuracy: 0.8438 - val_loss: 0.3135 - val_accuracy: 0.9167
Epoch 45/50
4/4 [==============================] - 7s 2s/step - loss: 0.3253 - accuracy: 0.8281 - val_loss: 0.3469 - val_accuracy: 0.8333
Epoch 46/50
4/4 [==============================] - 7s 2s/step - loss: 0.3239 - accuracy: 0.8281 - val_loss: 0.3038 - val_accuracy: 0.9167
Epoch 47/50
4/4 [==============================] - 7s 2s/step - loss: 0.2948 - accuracy: 0.8594 - val_loss: 0.3056 - val_accuracy: 0.9167
Epoch 48/50
4/4 [==============================] - 7s 2s/step - loss: 0.2972 - accuracy: 0.9219 - val_loss: 0.2699 - val_accuracy: 0.9167
Epoch 49/50
4/4 [==============================] - 7s 2s/step - loss: 0.3041 - accuracy: 0.8281 - val_loss: 0.2754 - val_accuracy: 0.9167
Epoch 50/50
4/4 [==============================] - 7s 2s/step - loss: 0.2944 - accuracy: 0.8750 - val_loss: 0.2988 - val_accuracy: 0.9167
loss_plotter.plot(training_histories)

png

acc_plotter.plot(training_histories)

png