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
- 단일 큐비트 데이터 재업로딩 활성화(DARUAN)와 Fast Weight Programmer를 결합한 양자 영감 KAN(QKAN-FWP) 아키텍처 제안
- 스칼라 게이트 기반 fast-weight 업데이트 규칙을 도입해 파라미터 진화의 안정화 및 병렬 그라디언트 경로 확보
- 적응형 메모리 커널, 기하학적 유계성, 병렬화 가능 경사 경로에 대한 이론적 분석 제시
- IonQ 및 IBM Quantum 실기에 배포해 NISQ 환경 호환성을 정량적으로 검증
💡 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
- **모델/방법론**: gated QKAN-FWP — FWP의 동적 파라미터 업데이트와 QKAN의 학습 가능한 단일 큐비트 활성화를 결합
- **핵심 기법**: DARUAN(Data Re-Uploading Activation)을 활성화 함수로 사용, 스칼라 게이트로 fast-weight 업데이트를 안정화, 528개월 입력 → 132개월 예측의 장기 시계열 설정으로 평가
📊 주요 결과
- 태양 흑점 주기 예측(528→132개월)에서 12.5k 파라미터 모델이 LSTM(25.9k~89.1k), WaveNet-LSTM(167k), Vanilla RNN(11.5k), Modified Echo State Network(132k)보다 낮은 scaled MSE, 진폭 오차, 시점 오차 달성
- 시계열 벤치마크 및 MiniGrid 강화학습에서 추가 평가 진행
- IonQ 및 IBM Quantum 실기 배포 시 1024 shots에서 노이즈리스 시뮬레이터 대비 0.1% 상대 MSE 이내로 회복
💭 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
- 파라미터 예산이 제한된 엣지/온디바이스 시계열 예측
- 태양 흑점·우주 기상 등 장기 주기 신호 예측
- NISQ 시대 양자 하드웨어를 활용한 경량 시퀀스 모델링 연구