Gated QKAN-FWP: Scalable Quantum-inspired Sequence Learning

Kuo-Chung Peng, Samuel Yen-Chi Chen, Jiun-Cheng Jiang, Chen-Yu Liu, En-Jui Kuo, Yun-Yuan Wang, Prayag Tiwari, Andrea Ceschini, Chi-Sheng Chen, Yu-Chao Hsu, Chun-Hua Lin, Tai-Yue Li, Antonello Rosato, Massimo Panella, Simon See, Saif Al-Kuwari, Kuan-Cheng Chen, Nan-Yow Chen, Hsi-Sheng Goan

arXiv:2605.06734 · 2026-05-11 공개 · arXiv · PDF

Abstract

Fast Weight Programmers (FWPs) encode temporal dependencies through dynamically updated parameters rather than recurrent hidden states. Quantum FWPs (QFWPs) extend this idea with variational quantum circuits (VQCs), but existing implementations rely on multi-qubit architectures that are difficult to scale on noisy intermediate-scale quantum (NISQ) devices and expensive to simulate classically. We propose gated QKAN-FWP, a fast-weight framework that integrates FWP with Quantum-inspired Kolmogorov-Arnold Network (QKAN) using single-qubit data re-uploading circuits as learnable nonlinear activation, known as DatA Re-Uploading ActivatioN (DARUAN). We further introduce a scalar-gated fast-weight update rule that stabilizes parameter evolution, supported by a theoretical analysis of its adaptive memory kernel, geometric boundedness, and parallelizable gradient paths. We evaluate the framework across time-series benchmarks, MiniGrid reinforcement learning, and highlight real-world solar cycle forecasting as our main practical result. In the long-horizon setting with 528-month input window and 132-month forecast horizon, our 12.5k-parameter model achieves lower scaled Mean Square Error (MSE), peak amplitude error, and peak timing error than a suite of classical recurrent baselines with up to 13x more parameters, including Long Short-Term Memory (LSTM) networks (25.9k-89.1k parameters), WaveNet-LSTM (167k), Vanilla recurrent neural network (11.5k), and a Modified Echo State Network (132k). To validate NISQ compatibility, we further deploy the trained fast programmer on IonQ and IBM Quantum processors, recovering forecasting accuracy within 0.1% relative MSE of the noiseless simulator at 1024 shots. These results position gated QKAN-FWP as a scalable, parameter-efficient, and NISQ-compatible approach to quantum-inspired sequence modeling.

한국어 요약

📋 한 줄 요약

**[양자 기계학습 · 시계열]** 단일 큐비트 데이터 재업로딩 회로를 비선형 활성화로 사용하는 양자 영감 KAN-Fast Weight Programmer로, 12.5k 파라미터만으로 최대 13배 큰 LSTM 계열 모델을 능가하고 실제 NISQ 양자 하드웨어에서도 노이즈리스 시뮬레이터 대비 0.1% 이내 정확도를 회복한다.

🎯 핵심 기여도

💡 핵심 아이디어

다중 큐비트 변분 양자 회로는 NISQ 하드웨어에서 확장이 어렵고 고전 시뮬레이션 비용도 큼. 본 연구는 다중 큐비트 회로 대신 단일 큐비트 데이터 재업로딩 회로를 학습 가능한 비선형 활성화 함수로 사용해, KAN 구조와 fast-weight 메모리를 결합하여 확장성과 NISQ 적합성을 동시에 달성한다.

🔬 기술적 접근법

📊 주요 결과

💭 의의 및 한계

**의의**: 양자 영감 모델이 고전 강 베이스라인을 파라미터 효율적으로 능가할 수 있음을 보이고, 동일 학습된 fast programmer가 실제 NISQ 디바이스에서 동작 가능함을 검증함. **한계**: 평가가 시계열·MiniGrid·태양 주기 등 비교적 제한된 영역에 한정되며, 본격적 대규모 양자 우위 영역으로의 확장성은 추가 연구가 필요함.

🚀 실용적 활용