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Hybrid Quantum Reinforcement Learning for Sequence Alignment (QLearning)

Zapf, Annette und Wölk, Sabine Esther (2025) Hybrid Quantum Reinforcement Learning for Sequence Alignment (QLearning). Arnold Sommerfeld School Munich, 2025-10-06 - 2025-10-10, München, Deutschland.

[img] PDF - Nur DLR-intern zugänglich
1MB

Kurzfassung

Pairwise sequence alignment is central in bioinformatics for analyzing DNA, RNA, and proteins, revealing similarities that inform evolutionary relationships, gene or protein functions, and disease mechanisms. Classical dynamic programming guarantees optimal alignments but scales poorly, while heuristics reduce runtime at the cost of optimality and still require high resources. Quantum algorithms exploit superposition and entanglement to accelerate optimization or find exact solutions faster. We present a hybrid quantum reinforcement learning (RL) agent based on (Hamann & Wölk, 2022), optimized for NISQ hardware. The agent learns a policy mapping states to action sequences from feedback of an environment. Using a Grover-like subroutine, it evaluates all sequences in parallel, reinforcing those leading to a solution, which reduces environment interactions and can achieve a quadratic speedup over classical RL. To enable execution on current hardware, we introduce a novel Parameterized Quantum Policy embedding entire action sequences, combined with a simplified Grover routine using a black-box oracle. This reduces resource demands but requires prior knowledge and retraining per alignment, limiting generalization. We also outline design ideas for a more general Grover oracle and circuit with broader generalization, which, while not NISQ-compatible, suggest a promising direction for future work.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/222927/
Dokumentart:Konferenzbeitrag (Poster)
Zusätzliche Informationen:Diese Publikation gehört zum Projekt QLearning der QCI Initiative des DLR.
Titel:Hybrid Quantum Reinforcement Learning for Sequence Alignment (QLearning)
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Zapf, Annetteannette.zapf (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Wölk, Sabine EstherSabine.Woelk (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:6 Oktober 2025
Referierte Publikation:Nein
Open Access:Nein
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Nein
In ISI Web of Science:Nein
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Quantum Machine Learning, Quantum Reinforcement Learning, NISQ
Veranstaltungstitel:Arnold Sommerfeld School Munich
Veranstaltungsort:München, Deutschland
Veranstaltungsart:Andere
Veranstaltungsbeginn:6 Oktober 2025
Veranstaltungsende:10 Oktober 2025
Veranstalter :Arnold Sommerfeld School
HGF - Forschungsbereich:Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr
HGF - Programm:Raumfahrt
HGF - Programmthema:Kommunikation, Navigation, Quantentechnologien
DLR - Schwerpunkt:Raumfahrt
DLR - Forschungsgebiet:R KNQ - Kommunikation, Navigation, Quantentechnologie
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):R - Quanteninformation und Kommunikation
Standort: Ulm
Institute & Einrichtungen:Institut für Quantentechnologien > Quanteninformation und -Kommunikation
Hinterlegt von: Zapf, Annette
Hinterlegt am:23 Feb 2026 20:52
Letzte Änderung:23 Feb 2026 20:52

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