[量子计算，与你有关]张量与张量网络量子计算

张量基本概念
张量的表示
张量基本运算

张量基本概念说起张量，大家比较熟悉的也许就是tensorflow中的tensor了吧，tensor作为tensorflow的基本数据结构能够代表各种各样复杂的数据，它是现代机器学习的基础，下面来一步步深入的了解张量国度。
Jacob Biamonte（美国物理学家）在《Lectures on Quantum Tensor Networks》中这样描述Tensors are a mathematical concept that encapsulates and generalizes the idea of multilinear maps, i.e. functions of multiple parameters that are linear with respect to every parameter.即张量是一个数学概念，它封装和概括了多线性映射的思想，即相对于每个参数呈线性的多个参数的函数。尽管这样的描述非常非常抽象，可是它的优点在于准确，而不仅仅是标量、向量及矩阵的一般化。多线性映射请看下图

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也许你并不理解上面的说法，没关系，再来看看它的其他几种定义：

张量是多维数组，常见于各种人工智能软件
张量是某种几何对象，不会随着坐标系的改变而改变
张量是向量和余向量（covector）通过张量积（tensor product）组合而成的

张量的表示下面补充一种张量表示方法，由点和腿组成，有几条腿就是几阶张量，图中举例分别列出了常数、向量、矩阵对应的张量关系。

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再来看更形象的一组图片

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图中分为两行，第一行是单个样本的维度，第二行是多个样本，即增加了样本维度，所以第一行的维度+1=第二行的维度。图中告诉我们0维张量也就是一个数，1维张量也就是一个矢量，2维张量就是一个矩阵、3维张量就是多个矩阵组成的立体，以此类推…。下面通过几个例子来了解一下张量对生活中各类数据的映射。

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图片被表示为4D张量，samples表示样本数、height表示样本高度、width表示样本宽度，channels表示通道数(彩色图为3，即RGB)。
视频被表示为5D张量，smaples表示样本数、frames表示帧序号、height表示每一帧的高度、width表示每一帧宽度、channels表示图片通道数。
再比如在建造一个小区的时，把一排砖头看作一阶张量，一堵墙看作二阶张量，一层楼看作三阶张量，一座楼看作四阶张量，一个小区看作五阶张量，多个小区就可以看作六阶张量，以此类推。通过这样的方式，我们就能通过这些索引定位到每一块砖头，也就意味着有了通过计算机批量操纵这些数据的能力，这就是为什么张量是机器学习的核心内容，因为机器学习对target function的求导、优化等操作，大多基于张量的表示和运算。

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同时学过python的同学应该对numpy库并不陌生，numpy.array其实也可以理解为张量，它表示张量的维度可以理解成“ [”的深度（如上图）。即有下面的对应关系，当[深度为n，也就表示n维的张量。当然不同张量之间还有很多的运算（缩并、内积、点积等），为了使用方便Google在2019年开源了TensorNetwork，它使用 TensorFlow 作为后端，针对 GPU 进行优化，与 CPU 上的运行速度相比实现了 100 倍的加速。希望大家都能多多尝试，确实是一个非常方便的框架，推荐搭配GPU食用☆￣(＞。☆)！
除了在机器上表示，那么当我们利用张量进行运算时，如何在纸上表示呢，当当当当！有三种记法，其含义一致。

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其中 e 1 , e 2 , e 3 e_1, e_2, e_3 e1?,e2?,e3?是单位基矢量，满足
e i ? e j = { 1 i=j 0 i!=j e_i\cdot e_j= \begin{cases} 1& \text{i=j}\\ 0& \text{i!=j} \end{cases} ei??ej?={10?i=ji!=j?
张量基本运算上面提到了张量的运算，包括和、差、数积、并积、内积、缩并、点积、双点积等操作。
【[量子计算，与你有关]张量与张量网络】和、差
两个同阶张量 A = A i j e i e j A=A_{ij}e_i e_j A=Aij?ei?ej?与 B = B i j e i e j B=B_{ij}e_i e_j B=Bij?ei?ej?之和（或差）是另一个同阶张量 T = T i j e i e j T=T_{ij}e_i e_j T=Tij?ei?ej?，即
T = A ± B T=A\pm B T=A±B
其分量关系为
T i j = T i j ± B i j \color{grey}T_{ij}=T_{ij}\pm B_{ij} Tij?=Tij?±Bij?
数积
张量A和一个数 λ \lambda λ(或标量函数) 相乘得另一同维同阶张量T
T = λ A T=\lambda A T=λA
其分量关系为
T i j = λ A i j T_{ij}=\lambda A_{ij} Tij?=λAij?
并积
两个同维不同阶（或同阶）张量 A A A和 B B B的并积 T是一个阶数等于 A A A、 B B B阶数之和的高阶张量。设 A = A i j k e i e j e k A=A_{ijk}e_i e_j e_k A=Aijk?ei?ej?ek?, B = B l m e l e m B=B_{lm}e_l e_m B=Blm?el?em?，则
T = A B = T i j k l m e i e j e k e l e m \color{green}T=AB=T_{ijklm}e_i e_j e_k e_l e_m T=AB=Tijklm?ei?ej?ek?el?em?
其分量关系为 T i j k l m = A i j k B l m T_{ijklm}=A_{ijk}B_{lm} Tijklm?=Aijk?Blm?，千万注意：A B ≠ B A AB\neq BA AB?=BA
缩并
缩并可是张量的核心运算之一，后面的张量网络是建立在缩并运算的基础之上的。若对基张量中的任意两个基矢量求点积，在张量将缩并为低二阶的新张量。在基张量中取不同基矢量的点积，则缩并的结果也不同，算法描述公式如下
R = T i j k e i e j e k = T i i k e k = R k e k ? R j = T i i j S = T i j k e i e j e k = T i j i e k = S j e j ? S j = T i j i ? R ≠ S \color{navy}R=T_{ijk}e_i e_j e_k=T_{iik}e_k =R_ke_k \Rightarrow R_j=T_{iij} \\ S=T_{ijk}e_i e_j e_k=T_{iji}e_k =S_je_j \Rightarrow S_j=T_{iji} \\ \Rightarrow R\neq S R=Tijk?ei?ej?ek?=Tiik?ek?=Rk?ek??Rj?=Tiij?S=Tijk?ei?ej?ek?=Tiji?ek?=Sj?ej??Sj?=Tiji??R?=S
再来看看几种典型的缩并情况

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内积
并积加缩并运算称为内积。例如 A = A i j k e i e j e k A=A_{ijk}e_i e_j e_k A=Aijk?ei?ej?ek?和 B = B l m e l e m B=B_{lm}e_l e_m B=Blm?el?em?的一种内积是（这里将 e i e_i ei?和 e m e_m em?进行缩并）
S = A i j k e i e j e k B l m e l e m = A i j k B l j e i e k e l \color{teal}S =A_{ijk}e_ie_je_kB_{lm}e_l e_m = A_{ijk}B_{lj}e_ie_ke_l S=Aijk?ei?ej?ek?Blm?el?em?=Aijk?Blj?ei?ek?el?
其分量关系为
S i k l = A i j k B l j S_{ikl}=A_{ijk}B_{lj} Sikl?=Aijk?Blj?
示例如图所示

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点积
前张量 A 的最后基矢量与后张量 B 的第一基矢量缩并的结果，记为 A ? B A\cdot B A?B，是最常用的一种内积
R = A ? B = A i j k B l m e i e j e k ? e l e m = A i j k B k m e i e j e m = R i j m e i e j e m R = A\cdot B = A_{ijk}B_{lm}e_i e_j e_k\cdot e_l e_m \\ =A_{ijk}B_{km}e_i e_je_m=R_{ijm}e_ie_je_m R=A?B=Aijk?Blm?ei?ej?ek??el?em?=Aijk?Bkm?ei?ej?em?=Rijm?ei?ej?em?
R i j m = A i j k B k m R_{ijm}=A_{ijk}B{km} Rijm?=Aijk?Bkm
从上述公式可知两个二阶张量的点积相当于矩阵乘法。
双点积
对前、后张量中两对近挨着的基矢量缩并的结果称为双点积，共有两种：

并双点积
T = A : B = A i j k B j k e i = T i e i T=A:B=A_{ijk}B_{jk}e_i=T_ie_i T=A:B=Aijk?Bjk?ei?=Ti?ei?
串双点积
S = A ? ? B = A i j k B k j e i = S i e i S=A\cdot \cdot B=A_{ijk}B_{kj}e_i=S_ie_i S=A??B=Aijk?Bkj?ei?=Si?ei?

总结
张量的各类运算总结起来如下图所示