Hybrid Quantum Neural Network Model with Catalyst Experimental Validation: Application for the Dry Reforming of Methane

甲烷 催化作用 二氧化碳重整 人工神经网络 量子 环境科学 化学 纳米技术 化学工程 材料科学 计算机科学 工程类 人工智能 物理 有机化学 合成气 量子力学
作者
Jiwon Roh,Seunghyeon Oh,Donggyun Lee,Hyungtae Cho,Jin‐Woo Park,Il Moon,Insoo Ro,Junghwan Kim
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:12 (10): 4121-4131 被引量:4
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.3c07496
摘要

Machine learning (ML), which has been increasingly applied to complex problems such as catalyst development, encounters challenges in data collection and structuring. Quantum neural networks (QNNs) outperform classical ML models, such as artificial neural networks (ANNs), in prediction accuracy, even with limited data. However, QNNs have limited available qubits. To address this issue, we introduce a hybrid QNN model, combining a parametrized quantum circuit with an ANN structure. We used the catalyst data sets of the dry reforming of methane reaction from the literature and in-house experimental results to compare the hybrid QNN and the ANN models. The hybrid QNN exhibited superior prediction accuracy and a faster convergence rate, achieving an R2 of 0.942 at 2478 epochs, whereas the ANN achieved an R2 of 0.935 at 3175 epochs. For the 224 in-house experimental data points previously unreported in the literature, the hybrid QNN exhibited an enhanced generalization performance. It showed a mean absolute error (MAE) of 13.42, compared with an MAE of 27.40 for the ANN under similar training conditions. This study highlights the potential of the hybrid QNN as a powerful tool for solving complex problems in catalysis and chemistry, demonstrating its advantages over classical ML models.

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