Introdución ao machine learning cuántico e á optimización cuántica

Os computadores cuánticos preséntanse como unha alternativa altamente interesante aos sistemas clásicos para determinados tipos de problemas. Entre estes, atopamos problemas de optimización binaria ou algoritmos clásicos de Machine Learning como os SVM ou as redes neuronais. Esta materia pretende ser unha introdución á computación cuántica centrándose neste tipo de problemas.

• Fundamentos da computación cuántica: qubits, portas cuánticas
• Tipos de computadores e linguaxes para computación cuántica.
• Algoritmos cuánticos de optimización: Quantum Annealing, QAOA, ...
• Quantum Machine Learning: Máquinas de soporte vectorial cuánticas, redes neuronais cuánticas, etc.

Bibliografía básica

- E.F. Combarro e S. González-Castillo, "A practical guide to Quantum Machine Learning and Quantum Optimization", Packt Publishing, 2023

Bibliografía comprementaria:

- Thomas G. Wong, "Introduction to Classical and Quantum Computing", Rooted Grove, 2022.
- M.A. Nielsen and I.L. Chuang: "Quantum Computation and Quantum Information", Cambridge, 2010.
- "Getting started with Qiskit" curso online

Esta materia contribúe a conseguir as seguintes competencias recollidas na memoria do título de Grao en Intelixencia Artificial
- Básicas e xerais: CB2, CB5, CG2, CG4, CG5
- Transversais: TR2, TR3
- Específicas: CE2, CE5, CE6. CE4, CE12

A metodoloxía de ensino está dirixida a focalizar a materia sobre os aspectos básicos da computación cuántica, os conceptos que diferencian este tipo de computación doutras aproximacións e as solucións que proporciona no campo da optimización e o aprendizaxe máquina. O alumnado debe estar capacitado, por tanto, para entender as vantaxes e problemas deste novo modelo de programación e ser capaces de programar aplicacións que se executen sobre sistemas cuánticos simulados ou reais.

Tendo isto en conta, distínguense tres tipos de actividades de aprendizaxe: clases teóricas, clases prácticas, e titorías en grupos reducidos. Así:
- Clases teóricas. Impartiranse 10 horas de clases maxistrais en sesións de 1 hora. Están dirixidas a explicar os conceptos que soportan o paradigma da computación cuántica, facendo especial énfase nas vantaxes que ofrece este tipo de computación fronte aos modelos de computación clásicos.
- Clases prácticas. Impartiranse 15 horas de clases prácticas que se desenvolverán na aula de informática en 10 sesións de 1,5 horas e que permitirán ao alumnado familiarizarse desde un punto de vista práctico coas cuestións expostas nas clases teóricas. A asistencia a estas clases por parte do alumnado é obrigatoria (Artigo 1c do Regulamento de asistencia a clase nas titulacións oficiais de grao e #máster da USC).

Actividades formativas de carácter presencial e a súa relación coas competencias da titulación:
- Clases teóricas impartidas polo profesor e exposición de seminarios. Competencias traballadas: CG4, CG5, CE2, CE3, CE5, CE6, CE4, CE12
- Clases prácticas de laboratorio, resolución de problemas e casos prácticos. Competencias traballadas: CB2, CB5, CG2, TR2, TR3, CE6, CE12
- Titorías programadas: orientación para a realización dos traballos individuais ou en grupo, resolución de dúbidas e actividades de avaliación continua. Competencias traballadas: TR2.
- Exame. Competencias traballadas: CG4, CG5, CE2, CE3, CE5, CE6, CE4, CE12

A avaliación da aprendizaxe basearase na realización efectiva dunha avaliación continua e un exame final de teoría. Esta avaliación estará fundamentada na asistencia ás clases interactivas, na realización por parte do alumnado das prácticas propostas ao longo do cuadrimestre durante as devanditas clases, e na realización dun exame final de teoría sobre todos os contidos da materia. Para aprobar a materia é imprescindible aprobar tanto a avaliación continua (prácticas) como o exame final.

A porcentaxe na cualificación final de cada parte da materia é:

- Avaliación continua: 60%
- Exame final: 40%

CLASES INTERACTIVAS

O alumnado abordará a resolución de diversos problemas propostos na aula de informática. Deberán realizar traballos nos que se presenten os resultados obtidos. Varios destes traballos serán obrigatorios e outros optativos, o que permitirá subir a nota. Todos os traballos deberán entregarse antes das datas que se especificarán e deberán cumprir os requisitos mínimos de calidade para ser tidos en conta. Valorarase o grao de cumprimento, a metodoloxía, o rigor e a presentación de resultados.

REQUISITO PARA SUPERAR A AVALIACIÓN CONTINUA

Para superar a avaliación continua o alumno deberá presentar e superar polo menos o 75% dos traballos obrigatorios propostos, obtendo unha nota global superior a 5.


ASISTENCIA ÁS CLASES INTERACTIVAS

Debido ao carácter práctico da materia, a asistencia ás clases interactivas é obrigatoria para superar a materia tanto na convocatoria ordinaria (final do cuadrimestre) como na extraordinaria (xullo) (artigo 1 da normativa de asistencia a clase nos ensinos oficiais de Grao e Máster da Universidade de Santiago de Compostela, aprobada en CG o 25 de novembro de 2024). Se o estudante asiste, sen xustificación, a menos do 80% das sesións interactivas, terá suspensa a materia, tanto na convocatoria ordinaria como na extraordinaria. Se as faltas prodúcense por causa xustificada (segundo o artigo 3 da normativa de asistencia a clase nos ensinos oficiais de Grao e Máster da Universidade de Santiago de Compostela, aprobada en CG o 25 de novembro de 2024), debidamente acreditada, o alumnado poderá optar ben por tentar realizar pola súa conta as prácticas que non puido realizar na aula, ou ben por recuperar esas horas noutras quendas de prácticas. O control de asistencia nas clases interactivas poderá facerse pasando lista en clase e reflectindo a asistencia nunha folla de firmas.

SUPERACIÓN DA MATERIA NA CONVOCATORIA ORDINARIA

Sempre que se cumpran os requisitos mínimos de asistencia ás sesións prácticas indicados, para superar a materia é necesario obter unha puntuación total igual ou superior a 5 tanto na avaliación continua como no exame final. Para aprobar é imprescindible entregar todas as prácticas sinaladas como obrigatorias.

SUPERACIÓN DA MATERIA NA CONVOCATORIA EXTRAORDINARIA

Sempre que se superaron os requisitos mínimos de asistencia ás sesións prácticas indicados, poden recuperarse as partes que non foron aprobadas na convocatoria ordinaria: traballos non entregados, prácticas e exames.

CONDICIÓN DE NON PRESENTADO

Consideraranse non presentados aqueles estudantes que non fosen avaliados en ningún aspecto da materia. Ademais, os estudantes cunha puntuación que non supoña máis do 10% da nota total máxima da materia tamén poderán optar a ser considerados como non presentados, para o que deberán informar o profesor coordinador da materia.

ESTUDANTES REPETIDORES

Por norma xeral, o alumnado repetidor someterase ao mesmo réxime que o alumnado ordinario, debendo asistir ás clases interactivas baixo as condicións antes expostas. Nos casos en que a cualificación das prácticas obtidas no curso inmediatamente anterior ao actual sexa superior a un 7, poderá conservarse a cualificación correspondente das prácticas xa realizadas, tendo que realizar unicamente aquelas que non se realizaron no curso anterior.

No caso de realización fraudulenta de exercicios ou probas, será de aplicación o recollido na Normativa de avaliación do rendemento académico dos estudantes e de revisión de cualificacións.

En aplicación da Normativa da ETSE sobre plaxio (aprobada pola Xunta da ETSE o 19/12/2019), a copia total ou parcial dalgún exercicio de prácticas ou teoría suporá o suspenso nas dúas oportunidades do curso, coa cualificación de 0,0 en ambos casos.

Traballo presencial na aula:
- Clases de teoría: 10 horas
- Clases prácticas: 15 horas
- Titorías en grupos reducidos: 1 horas
- Actividades de avaliación: 3 horas

Total horas de traballo presencial na aula: 29 horas

Traballo persoal do alumnado:
- Estudo autónomo: 10 horas
- Programación/experimentación/traballos en computador: 30 horas
- Actividades de avaliación de traballos, proxectos, exames: 9 horas

Total horas de traballo persoal: 49 horas

Debido á forte interrelación entre a parte teórica e a parte práctica, e á progresividade na presentación de conceptos moi relacionados entre si na parte teórica, é recomendable dedicar un tempo de estudo ou repaso diario.

Utilizarase o campus virtual da USC para toda a docencia, publicación de material, guións de prácticas e entregas de traballos. Tamén se usarán ferramentas na nube, como Google Colab ou IBM Quantum Experience.

O idioma preferentes de impartición das clases expositivas e interactivas é o castelán.