当前位置: 首页 > news >正文

最前沿・量子退火建模方法(1) : subQUBO讲解和python实现

前言

量子退火机在小规模问题上的效果得到了有效验证,但是由于物理量子比特的大规模制备以及噪声的影响,还没有办法再大规模的场景下应用。
这时候就需要我们思考,如何通过软件的方法怎么样把大的问题分解成小的问题,以便通过现在小规模的量子退火机解决。主要思路就是,同样的QUBO建模,怎么使用更少的量子比特。

下面的文章中,量子退火机伊辛机会混用。


一、subQUBO的创新点

先行的研究中,使用启发式方法将大型问题划分为较小的问题,并使用伊辛机进行求解,但划分后的问题的答案与原始大型问题的答案并不相同。达成协议的理论条件仍不清楚。早稻田大学的研究者开发出了subQUBO算法在保证分解后的小问题也能保证在原始大问题上的理论上做出了突破。

Atobe, Yuta, Masashi Tawada, and Nozomu Togawa. "Hybrid annealing method based on subQUBO model extraction with multiple solution instances." IEEE Transactions on Computers 71.10 (2021): 2606-2619.

subQUBO的创新点

  1. 首先研究将大规模组合优化问题划分为较小问题而不失去最优性的条件。该条件成立的话就证明,如果用伊辛机来解决一个满足条件的小问题,它就会和原来的大规模问题的答案相匹配。
  2. 还提出了一种新算法,成功地从大规模问题中提取出此类条件,将原始大规模问题缩小到伊辛机可以解决的问题规模,并迭代求解。所提出的算法通过基于理论支持将大规模问题分解为更小的问题来解决它,使得以比传统技术更高的精度解决原始大规模问题成为可能。
    在这里插入图片描述

二、subQUBO的详细思路

1. 怎么把大规模问题分解成小问题

1.1 逻辑前提:挑出错误后,回炉重造

  • 大规模组合优化问题的QUBO建模中,最终的答案由多个量子比特集合组成。
  • 如果你创建一个小规模问题,其中包括最终解的量子比特集合中的,所有不正确的量子比特集合
  • 并使用伊辛机解决该问题,则所有最终解的不正确的量子比特集合都将被纠正为正确的量子比特集合作为解。

1.2 具体实现:

实现方法: 可以创建一个大致包含所有不正确的量子比特集合的小问题,并使用伊辛机重复解决它。

  • 不正确的量子比特集合创建:
    – 我们使用传统的经典计算器来准备问题的多个候选答案。这些候选答案不一定是正确的,但在比较经典计算器求解得到的多个答案的量子比特集合的最终值。
    – 多个候选中匹配一致的就是正确的量子比特集合
    – 答案不匹配且不同的就是不正确的量子比特集合

  • 通过仅提取不正确的量子比特集合,并使用真实的伊辛机进行求解,最终可以获得整体的正确答案。

1.3 业界影响:

传统上,伊辛机很难解决大规模问题,因为可用位数受到硬件限制,但通过使用这种方法,可以使用伊辛机进行计算。因此,人们认为可以使用伊辛机(包括量子退火机)扩展现实世界组合优化问题的用例。此外,本研究尝试将经典计算机与伊辛机相结合来解决问题,这将大大扩展伊辛机的使用范围。

最新成果,参考以下新闻:
Quanmatic Co., Ltd.利用量子计算技术解决方案规模突破1亿比特

https://prtimes.jp/main/html/rd/p/000000015.000117406.html

三、subQUBO的python实现

  1. 导入库
import random
import itertools
import numpy as np
from dataclasses import dataclass
  1. 设置subQUBO所需参数
N_I = 20 # instance池
N_E = 10 # subQUBO的抽取次数
N_S = 10 # N_I个instance池中抽取的解的个数
sub_qubo_size = 5 # subQUBO的量子比特数
  1. QUBO建模

# 为了简单,使用TSP作为例子
NUM_CITY = 4
ALPHA = 1
np.random.seed(0)
num_spin = NUM_CITY ** 2distance_mtx = np.random.randint(1, 100, (NUM_CITY, NUM_CITY))
distance_mtx = np.tril(distance_mtx) + np.tril(distance_mtx).T - 2 * np.diag(distance_mtx.diagonal())# <<< Objective term >>>
qubo_obj = np.zeros((NUM_CITY**2, NUM_CITY**2), dtype=np.int32)
for t_u_v in itertools.product(range(NUM_CITY), repeat=3):t, u, v = t_u_v[0], t_u_v[1], t_u_v[2]idx_i = NUM_CITY * t + uif t < NUM_CITY - 1:idx_j = NUM_CITY * (t + 1) + velif t == NUM_CITY - 1:idx_j = vqubo_obj[idx_i, idx_j] += distance_mtx[u, v]
qubo_obj = np.triu(qubo_obj) + np.tril(qubo_obj).T - np.diag(np.diag(qubo_obj))# <<< Constraint term >>>
qubo_constraint = np.zeros((NUM_CITY**2, NUM_CITY**2), dtype=np.int32)
# Calculate constraint term1 : 1-hot of horizontal line
for t in range(NUM_CITY):for u in range(NUM_CITY - 1):for v in range(u + 1, NUM_CITY):qubo_constraint[NUM_CITY*t+u, NUM_CITY*t+v] += ALPHA * 2
# Linear term
for t_u in itertools.product(range(NUM_CITY), repeat=2):qubo_constraint[NUM_CITY*t_u[0]+t_u[1], NUM_CITY*t_u[0]+t_u[1]] += ALPHA * (-1)
const_constraint = ALPHA * NUM_CITY# Calculate constraint term2 : 1-hot of vertical line
# Quadratic term
for u in range(NUM_CITY):for t1 in range(NUM_CITY - 1):for t2 in range(t1+1, NUM_CITY):qubo_constraint[NUM_CITY*t1+u, NUM_CITY*t2+u] += ALPHA * 2
# Linear term
for u_t in itertools.product(range(NUM_CITY), repeat=2):qubo_constraint[NUM_CITY*u_t[1]+u_t[0], NUM_CITY*u_t[1]+u_t[0]] += ALPHA * (-1)
const_constraint += ALPHA * NUM_CITY
  1. 创建instance池

@dataclass
class Solution():"""Solution information.Attributes:x (np.ndarray): n-sized solution composed of binary variablesenergy_all (float): energy value obtained from QUBO-matrix of all termenergy_obj (float): energy value obtained from QUBO-matrix of objective termenergy_constraint (float): energy value obtained from QUBO-matrix of constraint termconstraint (bool): flag whether the solution satisfies the given constraint"""x: np.ndarrayenergy_all: float = 0energy_obj: float = 0energy_constraint: float = 0constraint: bool = True@classmethoddef energy(cls, qubo:np.ndarray, x: np.ndarray, const=0) -> float:"""Calculate the enrgy from the QUBO-matrix & solution xArgs:qubo (np.ndarray): n-by-n QUBO-matrixx (np.ndarray): n-sized solution composed of binary variablesconst (int, optional): _description_. Defaults to 0.Returns:float: Energy value."""return float(np.dot(np.dot(x, qubo), x) + const)@classmethoddef check_constraint(cls, qubo: np.ndarray, x: np.ndarray, const=0) -> bool:"""Check whether the solution satisfies the constraints.Args:qubo (np.ndarray): QUBO-model of the constraint term.x (np.ndarray): solution that you want to check.const (int, optional): constant of the constraint term. Defaults to 0.Returns:bool: Return True if the solution satisfy.Return False otherwise."""return True if cls.energy(qubo, x, const) == 0 else False
  1. subQUBO Hybrid Annealing Algorithm
# https://ieeexplore.ieee.org/document/9664360# <<< Line 2-4 >>>
# Initialize the Instance Pool
pool = []
for i in range(N_I):# ====================# 实验时改动此参数x = np.random.randint(0, 2, num_spin) # 生成随机解# ====================energy_obj = Solution.energy(qubo_obj, x)energy_constraint = Solution.energy(qubo=qubo_constraint, x=x, const=const_constraint)pool.append(Solution(x = x,energy_all = energy_obj + energy_constraint,energy_obj = energy_obj,energy_constraint = energy_constraint,constraint = Solution.check_constraint(qubo=qubo_constraint, x=x, const=const_constraint)))
ascending_order_idx = np.argsort(np.array(list(map(lambda sol: sol.energy_all, pool))))
pool = [pool[i] for i in ascending_order_idx]# <<< Line 5 >>>
# Find the best solution
ascending_order_idx = np.argsort(np.array(list(map(lambda sol: sol.energy_all, pool))))
x_best = pool[ascending_order_idx[0]]for _ in range(1): # <<< Line 6 >>># <<< Line 7-8 >>># Obtain a quasi-ground-state solution for every N_I solution instance by a classical QUBO solverfor solution_i in pool:# ====================# 实验时改动此参数x = np.random.randint(0, 2, num_spin) # 生成随机解# ====================# Update the solution infosolution_i.x = xenergy_obj = solution_i.energy(qubo_obj, x)energy_constraint = solution_i.energy(qubo_constraint, x, const_constraint)solution_i.energy_all = energy_obj + energy_constraintsolution_i.energy_obj = energy_objsolution_i.energy_constraint = energy_constraintsolution_i.constraint = solution_i.check_constraint(qubo=qubo_constraint, x=x, const=const_constraint)for i in range(N_E): # <<< Line 9 >>># <<< Line 10 >>># Select N_S solution instance randomly from the pooln_s_pool = random.sample(pool, N_S)# <<< Line 11-14 >>># Calculate variance of each spin x_i in N_S instance poolSolution.check_constraint(qubo_constraint, x, const_constraint)vars_of_x = np.array([sum(n_s_pool[k].x[j] for k in range(N_S)) - N_S/2 for j in range(num_spin)])# <<< Line 15 >>># Select a solution randomly from N_S solution instance pool as a tentative solutionsolution_tmp = random.choice(n_s_pool)# Extract a subQUBOextracted_spin_idx = np.argsort(vars_of_x)[:sub_qubo_size]non_extracted_spin_idx = np.argsort(vars_of_x)[sub_qubo_size:]subqubo_obj = np.array([[qubo_obj[j, k] for k in extracted_spin_idx] for j in extracted_spin_idx])subqubo_constraint = np.array([[qubo_constraint[j, k] for k in extracted_spin_idx] for j in extracted_spin_idx])for idx_i in range(sub_qubo_size):subqubo_obj[idx_i, idx_i] += sum(qubo_obj[idx_i, idx_j] * solution_tmp.x[idx_j] for idx_j in non_extracted_spin_idx)subqubo_constraint[idx_i, idx_i] += sum(qubo_constraint[idx_i, idx_j] * solution_tmp.x[idx_j] for idx_j in non_extracted_spin_idx)# <<< Line 16 >>># Optimize the subQUBO using an Ising machine# ====================# 实验时改动此参数x_sub = np.random.randint(0, 2, sub_qubo_size) # 生成随机解# ====================# Combine the quasi-ground-state solution from the subQUBO with the tentative solution X_t(solution_tmp)for idx, val in enumerate(extracted_spin_idx):solution_tmp.x[idx] = x_sub[idx]# <<< Line 17 >>># Add the solution into the poolpool.append(solution_tmp)# <<< Line 18 >>># Find the best soliutionascending_order_idx = np.argsort(np.array(list(map(lambda sol: sol.energy_all, pool))))x_best = pool[ascending_order_idx[0]]# <<< Line 19 >>># Arrange the N_I instance poolsorted_pool = [pool[i] for i in ascending_order_idx]pool = sorted_pool[:N_I]pool, x_best

总结

subQUBO思路很简单,希望大家可以看着代码,理解如果实现。这个算法已经被早稻田大学申请专利了。

相关文章:

最前沿・量子退火建模方法(1) : subQUBO讲解和python实现

前言 量子退火机在小规模问题上的效果得到了有效验证&#xff0c;但是由于物理量子比特的大规模制备以及噪声的影响&#xff0c;还没有办法再大规模的场景下应用。 这时候就需要我们思考&#xff0c;如何通过软件的方法怎么样把大的问题分解成小的问题&#xff0c;以便通过现在…...

如何在Linux部署MeterSphere并实现公网访问进行远程测试工作

文章目录 前言1. 安装MeterSphere2. 本地访问MeterSphere3. 安装 cpolar内网穿透软件4. 配置MeterSphere公网访问地址5. 公网远程访问MeterSphere6. 固定MeterSphere公网地址 前言 MeterSphere 是一站式开源持续测试平台, 涵盖测试跟踪、接口测试、UI 测试和性能测试等功能&am…...

postgis导入shp数据时“dbf file (.dbf) can not be opened.“

作者进行矢量数据导入数据库中出现上述报错 导致报错原因 导入的shp文件路径太深导入的shp文件名称或路径中有中文将需要导入数据的shp 文件、dbf 文件、prj 等文件放在到同一个文件夹内&#xff0c;且名字要一致&#xff1b;导入失败&#xff1a; 导入成功&#xff1a;...

StarUML笔记之从C++代码生成UML图

StarUML笔记之从C代码生成UML图 —— 2024-04-14 文章目录 StarUML笔记之从C代码生成UML图1.安装C插件2.准备好一个C代码文件放某个路径下3.点击Reverse Code选择项目文件夹4.拖动(Class)到中间画面可以形成UML5.另外一种方式&#xff1a;双击Type Hierarchy&#xff0c;然后…...

sizeof()和strlen

一、什么是sizeof() sizeof()是一个在C和C中广泛使用的操作符&#xff0c;用于计算数据类型或变量所占内存的字节数。它返回一个size_t类型的值&#xff0c;表示其操作数所占的字节数。 在使用时&#xff0c;sizeof()可以接收一个数据类型作为参数&#xff0c;也可以接收一个…...

Python学习笔记13 - 元组

什么是元组 元组的创建方式 为什么要将元组设计为不可变序列&#xff1f; 元组的遍历...

[leetcode]remove-duplicates-from-sorted-list-ii

. - 力扣&#xff08;LeetCode&#xff09; 给定一个已排序的链表的头 head &#xff0c; 删除原始链表中所有重复数字的节点&#xff0c;只留下不同的数字 。返回 已排序的链表 。 示例 1&#xff1a; 输入&#xff1a;head [1,2,3,3,4,4,5] 输出&#xff1a;[1,2,5]示例 2&…...

共享内存和Pytorch中的Dataloader结合

dataloader中通常使用num_workers来指定多线程来进行数据的读取。可以使用共享内存进行加速。 代码地址&#xff1a;https://github.com/POSTECH-CVLab/point-transformer/blob/master/util/s3dis.py 文章目录 1. 共享内存和dataloader结合1.1 在init中把所有的data存储到共享内…...

分享 WebStorm 2024 激活的方案,支持JetBrains全家桶

大家好&#xff0c;欢迎来到金榜探云手&#xff01; WebStorm公司简介 JetBrains 是一家专注于开发工具的软件公司&#xff0c;总部位于捷克。他们以提供强大的集成开发环境&#xff08;IDE&#xff09;而闻名&#xff0c;如 IntelliJ IDEA、PyCharm、和 WebStorm等。这些工具…...

Android OOM问题定位、内存优化

一、OOM out of memory&#xff1a;简称OOM&#xff0c;内存溢出&#xff0c;申请的内存大于剩余的内存而抛出的异常。 对于Android平台&#xff0c;广义的OOM主要是以下几种类型 JavaNativeThread 线程数的上限默认为32768&#xff0c;部分华为设备的限制是500通常1000左右…...

棋盘(c++题解)

题目描述 有一个m m的棋盘&#xff0c;棋盘上每一个格子可能是红色、黄色或没有任何颜色的。你现在要从棋盘的最左上角走到棋盘的最右下角。 任何一个时刻&#xff0c;你所站在的位置必须是有颜色的&#xff08;不能是无色的&#xff09; &#xff0c;你只能向上、下、 左、右…...

滑动窗口例题

一、209:长度最小的子数组 209:长度最小的子数组 思路&#xff1a;1、暴力解法&#xff1a;两层for循环遍历&#xff0c;当sum > target时计算子数组长度并与result比较&#xff0c;取最小的更新result。提交但是超出了时间限制。 class Solution {public int minSubArray…...

智过网:注册安全工程师注册有效期与周期解析

在职业领域&#xff0c;各种专业资格认证不仅是对从业者专业能力的认可&#xff0c;也是保障行业安全、规范发展的重要手段。其中&#xff0c;注册安全工程师证书在安全生产领域具有举足轻重的地位。那么&#xff0c;注册安全工程师的注册有效期是多久呢&#xff1f;又是几年一…...

腐蚀Rust 服务端搭建架设个人社区服务器Windows教程

腐蚀Rust 服务端搭建架设个人社区服务器Windows教程 大家好我是艾西&#xff0c;一个做服务器租用的网络架构师也是游戏热爱者。最近在steam发现rust腐蚀自建的服务器以及玩家还是非常多的&#xff0c;那么作为服务器供应商对这商机肯定是不会放过的哈哈哈&#xff01; 艾西这…...

蓝桥杯备赛:考前注意事项

考前注意事项 1、DevCpp添加c11支持 点击 工具 - 编译选项 中添加&#xff1a; -stdc112、万能头文件 #include <bits/stdc.h>万能头文件的缺陷&#xff1a;y1 变量 在<cmath>中用过了y1变量。 #include <bits/stdc.h> using namespace std;// 错误示例 …...

111111111111

111111111111...

uniapp 卡片勾选

前言 公司的app项目使用的uniapp&#xff0c;项目里有一个可勾选的卡片功能&#xff0c;效果图如下&#xff1a; 找了一圈没找到什么太好的组件&#xff0c;于是就自己简单写了一个&#xff0c;记录一下。避免以后还会用到 代码 <template><view class"card-…...

乐趣Python——文件与数据:挥别乱糟糟的桌面

各位朋友们&#xff0c;今天我们要开启一场非凡的冒险——进入文件操作的世界&#xff01;你知道吗&#xff0c;在你的电脑里&#xff0c;有一个叫做“文件系统”的迷宫&#xff0c;里面藏着各种各样的文件和文件夹&#xff0c;它们就像是迷宫中的宝藏。但有时候&#xff0c;这…...

docker nginx-lua发送post json 请求

环境准备 dockerfile from fabiocicerchia/nginx-lua:1.25.3-ubuntu22.04 run apt-get -qq update && apt-get -qq install luarocks run luarocks install lua-cjson run luarocks install lua-iconv run luarocks install lua-resty-http后台代理服务准备&#xff…...

阿里面试总结 一

写了这些还是不够完整&#xff0c;阿里 字节 卷进去加班&#xff01;奥利给 ThreadLocal 线程变量存放在当前线程变量中&#xff0c;线程上下文中&#xff0c;set将变量添加到threadLocals变量中 Thread类中定义了两个ThreadLocalMap类型变量threadLocals、inheritableThrea…...

多线程(49)定义无锁、阻塞、非阻塞和无等待算法

在并发编程中&#xff0c;理解不同的同步策略——无锁&#xff08;Lock-Free&#xff09;、阻塞&#xff08;Blocking&#xff09;、非阻塞&#xff08;Non-Blocking&#xff09;、无等待&#xff08;Wait-Free&#xff09;——对于设计高效、健壮的多线程应用至关重要。让我们…...

(一)ffmpeg 入门基础知识

一、ffmpeg FFmpeg是一套强大的开源音视频处理工具&#xff0c;能够录制、转换以及流化音视频内容。 FFmpeg是开源的&#xff0c;这意味着它的源代码是公开的&#xff0c;允许任何人使用、修改和分发。它提供了录制、转换以及流化音视频的完整解决方案&#xff0c;支持多种格…...

【软件测试】个人博客系统测试

个人博客系统测试 一、项目背景1.1 技术背景1.2 功能背景 二、 测试用例编写三、自动化测试3.1 什么是自动化测试3.2 通过使用selenium进行自动化测试的编写&#xff08;Java实现&#xff09;3.3 编写测试用例&#xff0c;执行自动化测试3.3.1 输入用户名:test,密码:123&#x…...

20240410解决OK3588-C的核心板刷机之后无法启动的问题

20240410解决OK3588-C的核心板刷机之后无法启动的问题 2024/4/10 19:38 1、编译OK3588的LINUX/Buildroot&#xff1f;forlinxubuntu: ~/3588/OK3588_Linux_fs$ sudo ./build.sh BoardConfig-linuxfs-ok3588.mk 2、进行全编译 forlinxubuntu: ~/3588/OK3588_Linux_fs$ sudo ./bu…...

仅需三步就能成为大语言模型Prompt Engineer提示词工程大神

AI Prompt Engineer(提示词工程)是当下GenAI行业最热门的话题&#xff0c;它是利用有效的AI模型交互提示技术&#xff0c;引导大语言模型生成更高质量、更准确、更相关的回应。相对于预训练和微调&#xff0c;提示词工程不需要标注数据和训练模型&#xff0c;极大的节约了时间和…...

RuleEngine规则引擎底层改造AviatorScript 之公式规则

前情提要&#xff0c;看上一个文章&#xff0c;具体要实现的效果就是 当然上来的问题就是前端的问题&#xff0c;这个框首先他们用的是富文本&#xff0c;富文本传到后台的结果是前端脚本&#xff0c;带着h5的标签&#xff0c;后面改成了这个&#xff0c;当时这个东西其实和后…...

Vue项目(H5)与微信小程序来回跳转

新建H5页面 在小程序里面新建一个名为H5的文件夹&#xff0c;以及H5页面 H5.WXML <web-view src"{{h5Url}}" bindmessage"handleGetMessage"></web-view>H5.JSdata: { h5Url:https://xxx.com/login 要跳转的H5页面},H5回来的回调方法handleG…...

设计模式-单一职责原则

基本介绍 对类来说的&#xff0c;即一个类应该只负责一项职责。如类A负责两个不同的职责&#xff0c;职责1&#xff0c;职责2.当职责1需求变更而改变A时&#xff0c;可能造成职责2执行错误&#xff0c;所以需要将类A的粒度分解为A1&#xff0c;A2 应用实例 方案1 public cl…...

vue和nunjucks的变量插值的形式{{}}冲突

Nunjucks 中修改配置 const nunjucks require(nunjucks);const template_old nunjucks.renderString(template_old: Hello, {{name}}!, { name: World }); console.log(template_old); // 配置 Nunjucks 环境 nunjucks.configure({tags: {variableStart: $(, // 设置变量起始…...

多语言婚恋交友APP开发流程一览

近年来&#xff0c;随着全球化的发展和人们对跨文化交流的需求增加&#xff0c;多语言婚恋交友APP的需求逐渐增长。开发这类APP需要考虑到不同语言和文化下用户的需求&#xff0c;涉及到一系列独特的流程和挑战。本文将从专家角度为您解析多语言婚恋交友APP的开发流程&#xff…...

专业做汽车零部件平台的网站/域名注册腾讯云

1 协议: 协议&#xff0c;类似于Java或C#语言中的接口&#xff0c;它限制了实现类必须拥有哪些方法。 它是对对象行为的定义&#xff0c;也是对功能的规范。 示例&#xff1a; // GoodChild.h #import <Foundation/Foundation.h> protocol GoodChild <NSObject> -(…...

药品网站建设/百度推广新手入门

&#xff08;1&#xff09;黄金分割法&#xff08;0.618法&#xff09; 基本思想&#xff1a; 它通过对试探点的函数值进行比较&#xff0c;使得包含极小点的区间不断缩短&#xff0c;当区间长度小到精度范围之内时&#xff0c;可以粗略地认为区间上各点的函数值均接近于…...

东莞网页制作网站/如何做好一个营销方案

PS&#xff1a;谁有相关的照片&#xff0c;请发给我。...

文章类型网站/网站seo优化

&#xff08;1&#xff09;r分量更大&#xff0c;则为红色 &#xff08;2&#xff09;判断深浅&#xff1a; 亮度越亮&#xff0c;则颜色越浅。 if(r*0.299 g*0.578 b*0.114 > T){ //浅色... }else{ //深色... }...

泉州网站设计/搜索引擎营销特点是什么

目录 0. 相关文章链接 1. Elasticsearch简介 2. 应用场景 3. 工程化案例 4. 用户画像标签数据存储总结 注&#xff1a;此博文为根据 赵宏田 老师的 用户画像方法论与工程化解决方案 一书读后笔记而来&#xff0c;仅供学习使用 0. 相关文章链接 用户画像文章汇总 1. Ela…...

用阿里巴巴店铺做公司网站怎么样/网站建设制作流程

文末获取完整PDF这份PDF涵盖了数仓设计和建设的一些重要概念和知识点&#xff0c;也有很多是面试经常问的&#xff0c;是学习数仓必备的理论知识。这份PDF可以作为数仓工具书的辅助资料进行学习&#xff0c;毕竟数仓工具书比较厚&#xff0c;对于很多人很难抓住其中的重点。如何…...