使用置换不变量子核比较 DNA 序列间的相似性
量子物理
2025-12-03 v3
摘要
计算两条 DNA 序列之间的相似性在生物科学中至关重要，但在经典硬件上计算成本可能很高。例如，带移动操作的编辑距离(EDM)是一种生物学中关注的 DNA 相似性度量，已被证明在经典硬件上精确计算是 NP 完全的。最近，应用量子算法被预期相比经典方法具有潜在优势。本文提出了一种新颖的变分量子核模型，作为估计由 EDM 定义的 DNA 序列间相似性的代理模型。由于 EDM 度量表现出成对置换不敏感特性，我们将置换不变结构引入变分量子核以近似这种对称性。此外，为了将四种核苷酸碱基编码为量子态，我们引入了一种基于对称信息完备正定算子值测量(SIC-POVM)状态的理论驱动的编码方案。这种编码确保了碱基之间的相互等价性，因为每对符号都被映射到 Bloch 球面上等距的量子态。我们在实验中表明，配备了置换不变电路设计和相互等价编码，所提出的量子核模型在近似由 EDM 定义的相似性方面取得了强大的性能。与经典核学习方法相比，我们的量子方法在使用显著更少的可训练参数的情况下实现了更高的精度。
引用
@article{arxiv.2503.05465,
title = {Compare Similarities Between DNA Sequences Using Permutation-Invariant Quantum Kernel},
author = {Chenyu Shi and Gabriele Leoni and Mauro Petrillo and Antonio Puertas Gallardo and Hao Wang},
journal= {arXiv preprint arXiv:2503.05465},
year = {2025}
}
备注
12 pages, 8 figures, 3 tables