Master's Thesis

Quantum-inspired evolutionary algorithms for applications in machine learning

Final Thesis 10.4 MB Appendix 12.79 MB

Author of thesis: Bc. Katarína Maláňová

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Martin Mézl, Ph.D.

Reviewer: Ing. Jan Odstrčilík, Ph.D.

Abstract:

Quantum-inspired evolutionary algorithms represent a novel optimization approach, with the advantage of escaping local optima, parallel processing of multiple solutions, and many more.  This diploma thesis deals with the topic of optimization and evolutionary algorithms, with an emphasis on their quantum-inspired variants. Several applications in machine learning are summarized, and within the practical part, three selected quantum-inspired evolutionary algorithms (QPSO with the MultiQPSO extension, QGA, and QWOA) are implemented and their convergence is tested on various standard optimization benchmarks.

As a suitable application within the optimization process, the tasks of feature selection and clustering are chosen, utilizing publicly available biomedical datasets — the Breast Cancer Wisconsin and Dermatology datasets. The results obtained using quantum-inspired evolutionary algorithms demonstrate higher classification accuracy and the ability to optimize the number of clusters as well. Their potential lies particularly in machine learning tasks, biomedical applications, intelligent systems, cybernetics, and many other domains yet to be explored.

Keywords:

evolutionary algorithms, quantum computing, machine learning, optimization, feature selection, clustering

Date of defence

16.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Studentka prezentovala výsledky své práce a komise byla seznámena s posudky. Ing. Jakubíček, Ph.D. položil otázku: Jakým způsobem jste vybírala algoritmy? Jaký je přínos v "Q"? Jak je zobrazen prostor PCA? Bylo by možné využít deep-learning pro vaše účely? Studentka obhájila diplomovou práci a odpověděla na otázky členů komise a oponenta.

Language of thesis

Slovak

Faculty

Department

Study programme

Bioengineering (MPC-BIO)

Composition of Committee

prof. Ing. Martin Augustynek, Ph.D. (předseda)
Ing. Roman Jakubíček, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Martin Králík (člen)
Ing. Jakub Lázňovský, Ph.D. (člen)
Ing. Petra Nemčeková (člen)

Supervisor’s report
Ing. Martin Mézl, Ph.D.

Předložená diplomová práce se věnuje využití kvantově inspirovaných evolučních algoritmů v oblasti strojového učení. Práce má logickou strukturu s členěním do šesti kapitol na 68 stranách. V rámci teoretické části práce je provedena rešerše a uveden základní přehled jak klasických evolučních algoritmů, tak i algoritmů, které jsou inspirovány kvantovými výpočty. Rešerše je přehledně zpracovaná a má dobrou vypovídající hodnotu. Celkem práce odkazuje na 62 položek literatury, ve většině případů se jedná o kvalitní vědecké publikace.
V praktické části byly implementovány dílčí algoritmy, které byly otestovány na klasických optimalizačních úlohách (minimalizace zadané funkce). Dále byl proveden výběr vhodných úloh v oblasti strojového učení – feature selection a shluková analýza. Pro obě tyto úlohy byl navržen a realizován postup, který využíval algoritmy QPSO, multiQPSO, QGA a QWOA. Výsledky jednotlivých úloh jsou dobře diskutovány a v obou případech srovnány s klasickými postupy strojového učení. Předložené výsledky ukazují možné využití a limitace těchto algoritmů.
Studentka pracovala aktivně během celého roku, pravidelně navštěvovala konzultace a prezentovala postup práce. Část práce (úloha selekce příznaků) byla prezentována na studentské konferenci Student EEICT 2026. Předloženou práci hodnotím jako vysoce kvalitní, doporučuji ji k obhajobě a navrhuji hodnocení výborně (A – 98 bodů). Points proposed by supervisor: 98

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Jan Odstrčilík, Ph.D.

Předložená diplomová práce se zabývá tématem optimalizace s využitím známých a standardně používaných evolučních metod modifikovaných do podoby s kvantovou reprezentací dat a inspirovaných principy kvantového počítání. V úvodní části práce se studentka věnuje teoretickému popisu základních optimalizačních metod, od matematické optimalizace až po populační evoluční algoritmy, genetické algoritmy a algoritmy inspirované chováním rojových druhů v přírodě. Výčet těchto metod je poměrně široký. Dále se práce věnuje základům kvantového počítání a implementaci tohoto principu do evolučních algoritmů a algoritmů strojového učení. Teoretická část působí přehledně a prezentované informace se opírají o relevantní citace. Praktická část práce obsahuje tři vybrané metody evolučních algoritmů upravené do podoby využívající kvantovou reprezentaci jedinců. Zde bych ocenil, kdyby byl teoretický popis metod detailnější, zejména u kvantově inspirovaného genetického algoritmu. V textu jsem nenašel zmínku, jaká byla použita metoda pro selekci jedinců nebo například typ křížení. Detailnější popis nastavení parametrů metod by mohl být součástí kapitoly 4.4. Vhodné by bylo doplnit i bloková schémata u všech třech algoritmů. V rámci testování na 2D funkcích bych ocenil, kdyby byly jednotlivé funkce v textu práce prezentované i graficky. Při testování metod na veřejně přístupných databázích za účelem selekce příznaků a shlukování bych uvítal i srovnání s výstupy jiných publikovaných metod v literatuře, pokud je lze dohledat. Oceňuji však srovnání s konvenčními statistickými metodami i následnou diskusi, která je poměrně obsáhlá. Po formální stránce je práce na dobré úrovni. Text práce je logicky strukturovaný. U prezentovaných grafů mohly být popisky větším fontem, aby byly grafy čitelnější. Celkově práci hodnotím jako velmi zdařilou. Zadání práce bylo dle mého názoru splněno v plném rozsahu a práci doporučuji k obhajobě. Hodnocení: A/92b. Topics for thesis defence:
  1. 1. Zabývala jste se nějak výpočetní náročností kvantově inspirovaných algoritmů v porovnání s jejich konvenčními variantami?
Points proposed by reviewer: 92

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová