Quantum entanglement is a fundamental property commonly used in various quantum information protocols and algorithms. Nonetheless, the problem of quantifying entanglement has still not reached general solution for systems larger than two qubits. In this paper, we investigate the possibility of detecting entanglement with the use of the supervised machine learning method, namely the deep convolutional neural networks. We build a model consisting of convolutional layers, which is able to recognize and predict the presence of entanglement for any bipartition of the given multi-qubit system. We demonstrate that training our model on synthetically generated datasets collecting random density matrices, which either include or exclude challenging positive-under-partial-transposition entangled states (PPTES), leads to the different accuracy of the model and its possibility to detect such states. Moreover, it is shown that enforcing entanglement-preserving symmetry operations (local operations on qubit or permutations of qubits) by using triple Siamese network, can significantly increase the model performance and ability to generalize on types of states not seen during the training stage. We perform numerical calculations for 3,4 and 5-qubit systems, therefore proving the scalability of the proposed approach.


翻译:量子纠缠是各种量子信息协议和算法中常用的一种基本属性。然而,量化纠缠的问题尚未达到大于两个正方位数的系统的一般解决办法。在本文件中,我们调查了发现与使用受监督的机器学习方法,即深共振神经网络相纠缠的可能性。我们建立了一个由共振层组成的模型,该模型能够识别和预测特定多方位系统的任何两部分存在纠缠。我们证明,在合成生成的数据集中培训收集随机密度矩阵的模型,其中要么包括或排除挑战中度过低的局部交错状态(PPTES),导致模型的准确性及其检测此类状态的可能性不同。此外,我们表明,通过使用三重Siamese网络执行纠缠-保留对称操作(qbit或qubits的本地操作),可以大大提高模型的性能和能力,以对未观察到的状态类型进行概括化,从而在5级培训期间进行定量计算。

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