Quantum Convolutional Neural Networks for Jet Images Classification
Hala Elhag
Abstract
Quantencomputing hat in jüngster Zeit aufgrund seiner potenziellen Vorteile gegenüber klassischer Berechnung in bestimmten Anwendungsbereichen zunehmend an Interesse gewonnen. Eine zentrale Anwendung ist das Quantenmaschinelle Lernen (QML), das darauf abzielt, quantenmechanische Prinzipien zu nutzen, um klassische Methoden in ausgewählten Aufgaben zu übertreffen. Motiviert durch ein Klassifikationsproblem in der Suche nach neuer Physik, insbesondere dem Top-Tagging, untersucht diese Arbeit die Leistungsfähigkeit von QML im Bereich der Hochenergiephysik (HEP). Der Datensatz wird als Jet-Bilder dargestellt, wobei Jets kollimierten Gruppen detektierter Teilchen entsprechen. Während klassische Convolutional Neural Networks (CNNs) für diese Aufgabe effektiv sind, verschlechtert sich ihre Leistung bei komplexen, hochgeboosteten Top-Quark-Signaturen. Daher werden Quantum Convolutional Neural Networks (QCNNs) mithilfe eines rauschfreien Quantensimulators untersucht und mit klassischen CNN-Modellen verglichen. Mehrere QCNN-Architekturen werden evaluiert, wobei Faltungsblöcke, Datenkodierung, Verlustfunktionen und Batchgrößen variiert werden. Für jedes Quantenmodell wird ein entsprechendes klassisches CNN zur fairen Gegenüberstellung konstruiert. Die Ergebnisse zeigen, dass korrekt konfigurierte QCNNs ihre klassischen Gegenstücke in den meisten Szenarien übertreffen. Zur Effizienzsteigerung in ausdrucksstärkeren Modellen wird die Dimensional Expressivity Analysis (DEA) eingesetzt, um die Anzahl trainierbarer Parameter ohne Leistungsverlust zu reduzieren. Das DEA-optimierte QCNN erzielt eine höhere Klassifikationsgenauigkeit und verdeutlicht das Potenzial quantenverstärkter Modelle in realistischen HEP-Anwendungen. Insgesamt zeigt diese Arbeit das Potenzial von QML, insbesondere QCNNs, als wettbewerbsfähigen Ansatz für die Datenanalyse in der HEP und eröffnet Perspektiven für zukünftige Forschung zu klassischen Simulationen und rauschtoleranter Quantenhardware.