انتقل إلى المحتوى الرئيسي

ترميز الارتباط بولي لتقليل متطلبات Maxcut

تقدير وقت الاستخدام: 30 دقيقة على معالج Eagle r3 (ملاحظة: هذا تقدير فحسب. قد يختلف وقت التشغيل الفعلي.)

الخلفية النظرية

يقدم هذا الدرس التطبيقي ترميز الارتباط بولي (PCE) [1]، وهو نهج مصمم لتشفير مسائل التحسين في كيوبتات بكفاءة أعلى للحوسبة الكمية. يقوم PCE بتعيين المتغيرات الكلاسيكية في مسائل التحسين إلى ارتباطات متعددة الأجسام لمصفوفات Pauli، مما يؤدي إلى ضغط متعدد الحدود لمتطلبات الفضاء الخاصة بالمسألة. من خلال توظيف PCE، يُقلَّل عدد الكيوبتات اللازمة للتشفير، مما يجعله مفيداً بشكل خاص للأجهزة الكمية قريبة المدى ذات موارد الكيوبتات المحدودة. علاوة على ذلك، يُثبت تحليلياً أن PCE يخفف بطبيعته من ظاهرة "الهضاب العقيمة" (barren plateaus)، مما يوفر مرونة فائقة-متعددة الحدود في مواجهة هذه الظاهرة. تتيح هذه الميزة المدمجة أداءً غير مسبوق في أدوات حل التحسين الكمي.

نظرة عامة

يتكون نهج PCE من ثلاث خطوات رئيسية، كما هو موضح في الشكل 1 من [1] أدناه:

  1. تشفير مسألة التحسين في فضاء ارتباط Pauli.
  2. حل المسألة باستخدام أداة حل التحسين الكمي-الكلاسيكي.
  3. فك تشفير الحل للعودة إلى فضاء التحسين الأصلي. نهج PCE قابل للتكيف مع أي أداة حل للتحسين الكمي قادرة على معالجة مصفوفات ارتباط Pauli. pce-overview.png في الشكل 1 من [1]، تُستخدم مسألة Max-Cut كمثال توضيحي لنهج PCE. يُشفَّر مشكلة Max-Cut التي تحتوي على m=9m=9 عقدة في فضاء ارتباط Pauli، لتُمثَّل مسألة التحسين كمصفوفة ارتباط، وتحديداً ارتباطات ثنائية الجسم لمصفوفات Pauli عبر n=3n=3 كيوبتات (Q1,Q2,Q3)(Q_1, Q_2, Q_3). تشير ألوان العقد إلى سلسلة Pauli المستخدمة لكل عقدة مشفرة. على سبيل المثال، العقدة 1 التي تقابل المتغير الثنائي x1x_1، تُشفَّر بواسطة القيمة المتوقعة لـ Z1Z2I3Z_1 \otimes Z_2 \otimes I_3، في حين يُشفَّر x8x_8 بواسطة I1Y2Y3I_1 \otimes Y_2 \otimes Y_3. يتوافق هذا مع ضغط mm متغيراً للمسألة في n=O(m1/2) n = O(m^{1/2}) كيوبتاً. بشكل أعم، تتيح ارتباطات kk-الجسم ضغطات متعددة الحدود من الدرجة kk. تتكون مجموعة Pauli المختارة من ثلاثة مجموعات فرعية من سلاسل Pauli المتبادلة التبادلية، مما يسمح بتقدير جميع mm ارتباطاً تجريبياً بثلاثة إعدادات قياس فحسب.

تُبنى دالة خسارة L\mathcal{L} من القيم المتوقعة لـ Pauli التي تحاكي دالة الهدف الأصلية لـ Max-Cut. ثم تُحسَّن دالة الخسارة باستخدام أداة حل التحسين الكمي-الكلاسيكي، كحاسبة Eigensolver التقريبية التغايرية (VQE).

بمجرد اكتمال التحسين، يُفك تشفير الحل للعودة إلى فضاء التحسين الأصلي، مما يُنتج الحل الأمثل لـ Max-Cut.

المتطلبات

قبل البدء بهذا الدرس التطبيقي، تأكد من تثبيت ما يلي:

  • Qiskit SDK الإصدار v1.0 أو أحدث، مع دعم التصور المرئي
  • Qiskit Runtime الإصدار v0.22 أو أحدث (pip install qiskit-ibm-runtime)

الإعداد

# Added by doQumentation — installs packages not in the Binder environment
%pip install -q networkx
from itertools import combinations

import numpy as np
import rustworkx as rx
from scipy.optimize import minimize

from qiskit.circuit.library import efficient_su2
from qiskit.transpiler.preset_passmanagers import generate_preset_pass_manager
from qiskit.quantum_info import SparsePauliOp
from qiskit_ibm_runtime import EstimatorV2 as Estimator
from qiskit_ibm_runtime import QiskitRuntimeService
from qiskit_ibm_runtime import Session
from rustworkx.visualization import mpl_draw

service = QiskitRuntimeService()
backend = service.least_busy(
operational=True, simulator=False, min_num_qubits=127
)
def calc_cut_size(graph, partition0, partition1):
"""Calculate the cut size of the given partitions of the graph."""

cut_size = 0
for edge0, edge1 in graph.edge_list():
if edge0 in partition0 and edge1 in partition1:
cut_size += 1
elif edge0 in partition1 and edge1 in partition0:
cut_size += 1
return cut_size

الخطوة 1: تعيين المدخلات الكلاسيكية إلى مسألة كمية

مسألة Max-Cut

مسألة Max-Cut هي مسألة تحسين تقديري تُعرَّف على رسم بياني G=(V,E)G = (V, E)، حيث VV هي مجموعة الرؤوس وEE هي مجموعة الحواف. الهدف هو تقسيم الرؤوس إلى مجموعتين، SS وVSV \setminus S، بحيث يكون عدد الحواف بين المجموعتين أقصى ما يمكن. للاطلاع على وصف مفصّل لمسألة Max-Cut، يُرجى الرجوع إلى درس "خوارزمية التحسين الكمي التقريبي" التطبيقي. كذلك، تُستخدم مسألة Max-Cut كمثال في الدرس التطبيقي "تقنيات متقدمة لـ QAOA". في تلك الدروس التطبيقية، تُستخدم خوارزمية QAOA لحل مسألة Max-Cut.

الرسم البياني -> هاميلتوني

يستخدم هذا الدرس التطبيقي رسماً بيانياً عشوائياً بـ 1000 عقدة.

قد يكون من الصعب تصور حجم المسألة، لذا إليك رسم بياني بـ 100 عقدة. (عرض رسم بياني بـ 1,000 عقدة مباشرةً سيجعله كثيفاً للغاية ويتعذر رؤية أي شيء!) الرسم البياني الذي نعمل عليه أكبر بعشرة أضعاف.

mpl_draw(rx.undirected_gnp_random_graph(100, 0.1, seed=42))

Output of the previous code cell

num_nodes = 1000  # Number of nodes in graph
graph = rx.undirected_gnp_random_graph(num_nodes, 0.1, seed=42)
import networkx as nx

nx_graph = nx.Graph()
nx_graph.add_nodes_from(range(num_nodes))
for edge in graph.edge_list():
nx_graph.add_edge(edge[0], edge[1])
curr_cut_size, partition = nx.approximation.one_exchange(nx_graph, seed=1)
print(f"Initial cut size: {curr_cut_size}")
Initial cut size: 28075

نُشفِّر الرسم البياني بـ 1000 عقدة في ارتباطات ثنائية الجسم لمصفوفات Pauli عبر 100 كيوبتاً. يُمثَّل الرسم البياني كمصفوفة ارتباط، حيث تُشفَّر كل عقدة بسلسلة Pauli. إشارة القيمة المتوقعة لسلسلة Pauli تشير إلى التقسيم الذي تنتمي إليه العقدة. على سبيل المثال، العقدة 0 مشفرة بسلسلة Pauli، 0=I19...I2X1X0\prod_0 = I_{19} \otimes ... I_2 \otimes X_1 \otimes X_0. إشارة القيمة المتوقعة لسلسلة Pauli هذه تشير إلى التقسيم الذي تنتمي إليه العقدة 0. نعرّف ترميز ارتباط Pauli (PCE) بالنسبة لـ \prod على النحو التالي:

xisgn(i)x_i \coloneqq \textit{sgn}(\langle\prod_i \rangle)

حيث xix_i هو التقسيم الذي تنتمي إليه العقدة ii، وiψiψ\langle \prod_i \rangle \coloneqq \langle \psi |\prod_i| \psi \rangle هي القيمة المتوقعة لسلسلة Pauli التي تُشفِّر العقدة ii على الحالة الكمية ψ|\psi \rangle. الآن، لنشفّر الرسم البياني في هاميلتوني باستخدام PCE. نقسّم العقد إلى ثلاث مجموعات: S1S_1 وS2S_2 وS3S_3. ثم نشفّر العقد في كل مجموعة باستخدام سلاسل Pauli مع XX وYY وZZ على التوالي.

num_qubits = 100

list_size = num_nodes // 3
node_x = [i for i in range(list_size)]
node_y = [i for i in range(list_size, 2 * list_size)]
node_z = [i for i in range(2 * list_size, num_nodes)]

print("List 1:", node_x)
print("List 2:", node_y)
print("List 3:", node_z)
List 1: [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99, 100, 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 109, 110, 111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118, 119, 120, 121, 122, 123, 124, 125, 126, 127, 128, 129, 130, 131, 132, 133, 134, 135, 136, 137, 138, 139, 140, 141, 142, 143, 144, 145, 146, 147, 148, 149, 150, 151, 152, 153, 154, 155, 156, 157, 158, 159, 160, 161, 162, 163, 164, 165, 166, 167, 168, 169, 170, 171, 172, 173, 174, 175, 176, 177, 178, 179, 180, 181, 182, 183, 184, 185, 186, 187, 188, 189, 190, 191, 192, 193, 194, 195, 196, 197, 198, 199, 200, 201, 202, 203, 204, 205, 206, 207, 208, 209, 210, 211, 212, 213, 214, 215, 216, 217, 218, 219, 220, 221, 222, 223, 224, 225, 226, 227, 228, 229, 230, 231, 232, 233, 234, 235, 236, 237, 238, 239, 240, 241, 242, 243, 244, 245, 246, 247, 248, 249, 250, 251, 252, 253, 254, 255, 256, 257, 258, 259, 260, 261, 262, 263, 264, 265, 266, 267, 268, 269, 270, 271, 272, 273, 274, 275, 276, 277, 278, 279, 280, 281, 282, 283, 284, 285, 286, 287, 288, 289, 290, 291, 292, 293, 294, 295, 296, 297, 298, 299, 300, 301, 302, 303, 304, 305, 306, 307, 308, 309, 310, 311, 312, 313, 314, 315, 316, 317, 318, 319, 320, 321, 322, 323, 324, 325, 326, 327, 328, 329, 330, 331, 332]
List 2: [333, 334, 335, 336, 337, 338, 339, 340, 341, 342, 343, 344, 345, 346, 347, 348, 349, 350, 351, 352, 353, 354, 355, 356, 357, 358, 359, 360, 361, 362, 363, 364, 365, 366, 367, 368, 369, 370, 371, 372, 373, 374, 375, 376, 377, 378, 379, 380, 381, 382, 383, 384, 385, 386, 387, 388, 389, 390, 391, 392, 393, 394, 395, 396, 397, 398, 399, 400, 401, 402, 403, 404, 405, 406, 407, 408, 409, 410, 411, 412, 413, 414, 415, 416, 417, 418, 419, 420, 421, 422, 423, 424, 425, 426, 427, 428, 429, 430, 431, 432, 433, 434, 435, 436, 437, 438, 439, 440, 441, 442, 443, 444, 445, 446, 447, 448, 449, 450, 451, 452, 453, 454, 455, 456, 457, 458, 459, 460, 461, 462, 463, 464, 465, 466, 467, 468, 469, 470, 471, 472, 473, 474, 475, 476, 477, 478, 479, 480, 481, 482, 483, 484, 485, 486, 487, 488, 489, 490, 491, 492, 493, 494, 495, 496, 497, 498, 499, 500, 501, 502, 503, 504, 505, 506, 507, 508, 509, 510, 511, 512, 513, 514, 515, 516, 517, 518, 519, 520, 521, 522, 523, 524, 525, 526, 527, 528, 529, 530, 531, 532, 533, 534, 535, 536, 537, 538, 539, 540, 541, 542, 543, 544, 545, 546, 547, 548, 549, 550, 551, 552, 553, 554, 555, 556, 557, 558, 559, 560, 561, 562, 563, 564, 565, 566, 567, 568, 569, 570, 571, 572, 573, 574, 575, 576, 577, 578, 579, 580, 581, 582, 583, 584, 585, 586, 587, 588, 589, 590, 591, 592, 593, 594, 595, 596, 597, 598, 599, 600, 601, 602, 603, 604, 605, 606, 607, 608, 609, 610, 611, 612, 613, 614, 615, 616, 617, 618, 619, 620, 621, 622, 623, 624, 625, 626, 627, 628, 629, 630, 631, 632, 633, 634, 635, 636, 637, 638, 639, 640, 641, 642, 643, 644, 645, 646, 647, 648, 649, 650, 651, 652, 653, 654, 655, 656, 657, 658, 659, 660, 661, 662, 663, 664, 665]
List 3: [666, 667, 668, 669, 670, 671, 672, 673, 674, 675, 676, 677, 678, 679, 680, 681, 682, 683, 684, 685, 686, 687, 688, 689, 690, 691, 692, 693, 694, 695, 696, 697, 698, 699, 700, 701, 702, 703, 704, 705, 706, 707, 708, 709, 710, 711, 712, 713, 714, 715, 716, 717, 718, 719, 720, 721, 722, 723, 724, 725, 726, 727, 728, 729, 730, 731, 732, 733, 734, 735, 736, 737, 738, 739, 740, 741, 742, 743, 744, 745, 746, 747, 748, 749, 750, 751, 752, 753, 754, 755, 756, 757, 758, 759, 760, 761, 762, 763, 764, 765, 766, 767, 768, 769, 770, 771, 772, 773, 774, 775, 776, 777, 778, 779, 780, 781, 782, 783, 784, 785, 786, 787, 788, 789, 790, 791, 792, 793, 794, 795, 796, 797, 798, 799, 800, 801, 802, 803, 804, 805, 806, 807, 808, 809, 810, 811, 812, 813, 814, 815, 816, 817, 818, 819, 820, 821, 822, 823, 824, 825, 826, 827, 828, 829, 830, 831, 832, 833, 834, 835, 836, 837, 838, 839, 840, 841, 842, 843, 844, 845, 846, 847, 848, 849, 850, 851, 852, 853, 854, 855, 856, 857, 858, 859, 860, 861, 862, 863, 864, 865, 866, 867, 868, 869, 870, 871, 872, 873, 874, 875, 876, 877, 878, 879, 880, 881, 882, 883, 884, 885, 886, 887, 888, 889, 890, 891, 892, 893, 894, 895, 896, 897, 898, 899, 900, 901, 902, 903, 904, 905, 906, 907, 908, 909, 910, 911, 912, 913, 914, 915, 916, 917, 918, 919, 920, 921, 922, 923, 924, 925, 926, 927, 928, 929, 930, 931, 932, 933, 934, 935, 936, 937, 938, 939, 940, 941, 942, 943, 944, 945, 946, 947, 948, 949, 950, 951, 952, 953, 954, 955, 956, 957, 958, 959, 960, 961, 962, 963, 964, 965, 966, 967, 968, 969, 970, 971, 972, 973, 974, 975, 976, 977, 978, 979, 980, 981, 982, 983, 984, 985, 986, 987, 988, 989, 990, 991, 992, 993, 994, 995, 996, 997, 998, 999]
def build_pauli_correlation_encoding(pauli, node_list, n, k=2):
pauli_correlation_encoding = []
for idx, c in enumerate(combinations(range(n), k)):
if idx >= len(node_list):
break
paulis = ["I"] * n
paulis[c[0]], paulis[c[1]] = pauli, pauli
pauli_correlation_encoding.append(("".join(paulis)[::-1], 1))

hamiltonian = []
for pauli, weight in pauli_correlation_encoding:
hamiltonian.append(SparsePauliOp.from_list([(pauli, weight)]))

return hamiltonian

pauli_correlation_encoding_x = build_pauli_correlation_encoding(
"X", node_x, num_qubits
)
pauli_correlation_encoding_y = build_pauli_correlation_encoding(
"Y", node_y, num_qubits
)
pauli_correlation_encoding_z = build_pauli_correlation_encoding(
"Z", node_z, num_qubits
)

الخطوة 2: تحسين المسألة لتنفيذها على الأجهزة الكمية

الدائرة الكمية

هنا، تُحدَّد الحالة ψ|\psi \rangle بالمعاملات θ\mathbf{\theta}، ونحسّن هذه المعاملات θ\mathbf{\theta} باستخدام نهج تغاير. يستخدم هذا الدرس التطبيقي ansatz من نوع efficient_su2 لخوارزميتنا التغايرية نظراً لقدراتها التعبيرية وسهولة تطبيقها. كذلك نستخدم دالة الخسارة المخففة التي ستُقدَّم لاحقاً في هذا الدرس التطبيقي. ونتيجةً لذلك، يمكننا معالجة المسائل الكبيرة الحجم بعدد أقل من الكيوبتات وأعماق دوائر أقل.

# Build the quantum circuit
qc = efficient_su2(num_qubits, ["ry", "rz"], reps=2)
# Optimize the circuit

pm = generate_preset_pass_manager(optimization_level=3, backend=backend)
qc = pm.run(qc)

دالة الخسارة

بالنسبة لدالة الخسارة L\mathcal{L}، نستخدم تخفيفاً لدالة الهدف الخاصة بـ Max-Cut كما هو موضح في [1]، والمعرّفة على النحو V(x)(i,j)EWi,j(1xixj)\mathcal{V}(\mathbf{x}) \coloneqq \sum_{(i, j) \in E} W_{i, j}(1-x_i x_j). حيث تدل Wi,jW_{i, j} على وزن الحافة (i,j)(i, j)، وتمثل xix_i التقسيم الذي تنتمي إليه العقدة ii. دالة الخسارة L\mathcal{L} معرّفة على النحو:

L(i,j)EWi,jtanh(αi)tanh(αj)+L(reg)\mathcal{L}\coloneqq \sum_{(i, j) \in E} W_{i, j} \text{tanh} (\alpha \langle\prod_i \rangle) \text{tanh} (\alpha \langle\prod_j \rangle) + \mathcal{L}^{(\text{reg})}

حيث استُبدلت دالة الهدف لـ Max-Cut بالمماسات الزائدية المرنة للقيم المتوقعة لسلاسل Pauli التي تُشفِّر العقد. يُقدَّم حد التنظيم L(reg)\mathcal{L}^{(\text{reg})} وعامل إعادة القياس α\alpha، المتناسب مع عدد الكيوبتات، لتحسين أداء أداة الحل.

حد التنظيم معرّف على النحو:

L(reg)\mathcal{L}^{(\text{reg})} معرّف على النحو L(reg)βν[1miVtanh(αi)2]2\mathcal{L}^{(\text{reg})} \coloneqq \beta \nu \lbrack \frac{1}{m} \sum_{i \in V} \text{tanh} (\alpha \langle\prod_i \rangle)^2 \rbrack ^2

حيث β=1/2\beta=1/2، وν=E/2+(m1)/4\nu = |E|/2 + (m -1) /4، وmm هو عدد العقد في الرسم البياني.

def loss_func_estimator(x, ansatz, hamiltonian, estimator, graph):
"""
Calculates the specified loss function for the given ansatz, Hamiltonian, and graph.

The expectation values of each Pauli string in the Hamiltonian are first obtained
by running the ansatz on the quantum backend. These expectation values are then
passed through the nonlinear function tanh(alpha * prod_i). The loss function is
subsequently computed from these transformed values.
"""
job = estimator.run(
[
(ansatz, hamiltonian[0], x),
(ansatz, hamiltonian[1], x),
(ansatz, hamiltonian[2], x),
]
)
result = job.result()

# calculate the loss function
node_exp_map = {}
idx = 0
for r in result:
for ev in r.data.evs:
node_exp_map[idx] = ev
idx += 1

loss = 0
alpha = num_qubits
for edge0, edge1 in graph.edge_list():
loss += np.tanh(alpha * node_exp_map[edge0]) * np.tanh(
alpha * node_exp_map[edge1]
)

regulation_term = 0
for i in range(len(graph.nodes())):
regulation_term += np.tanh(alpha * node_exp_map[i]) ** 2
regulation_term = regulation_term / len(graph.nodes())
regulation_term = regulation_term**2
beta = 1 / 2
v = len(graph.edges()) / 2 + (len(graph.nodes()) - 1) / 4
regulation_term = beta * v * regulation_term

loss = loss + regulation_term

global experiment_result
print(f"Iter {len(experiment_result)}: {loss}")
experiment_result.append({"loss": loss, "exp_map": node_exp_map})
return loss

الخطوة 3: التنفيذ باستخدام Qiskit primitives

في هذا الدرس التطبيقي، نضع max_iter=50 لحلقة التحسين لأغراض العرض التوضيحي. إذا زدنا عدد التكرارات، يمكننا توقع نتائج أفضل.

pce = []
pce.append(
[op.apply_layout(qc.layout) for op in pauli_correlation_encoding_x]
)
pce.append(
[op.apply_layout(qc.layout) for op in pauli_correlation_encoding_y]
)
pce.append(
[op.apply_layout(qc.layout) for op in pauli_correlation_encoding_z]
)
# Run the optimization using Session

with Session(backend=backend) as session:
estimator = Estimator(mode=session)

experiment_result = []

def loss_func(x):
return loss_func_estimator(
x, qc, [pce[0], pce[1], pce[2]], estimator, graph
)

np.random.seed(42)
initial_params = np.random.rand(qc.num_parameters)
result = minimize(
loss_func, initial_params, method="COBYLA", options={"maxiter": 50}
)
print(result)
Iter 0: 16659.649201600296
Iter 1: 12104.242957555361
Iter 2: 6541.137221994661
Iter 3: 6650.6188244671985
Iter 4: 7033.193518185085
Iter 5: 6743.687931793412
Iter 6: 6223.574718684094
Iter 7: 6457.3302709535965
Iter 8: 6581.316449107595
Iter 9: 6365.761052029896
Iter 10: 6415.872673527322
Iter 11: 6421.996561600348
Iter 12: 6636.372822791712
Iter 13: 6965.174320702346
Iter 14: 6774.236562696287
Iter 15: 6393.837617108355
Iter 16: 6234.311401676519
Iter 17: 6518.192237615901
Iter 18: 6559.933925068997
Iter 19: 6646.157979243488
Iter 20: 6573.726111605048
Iter 21: 6190.642092901959
Iter 22: 6653.06500163594
Iter 23: 6545.713700369988
Iter 24: 6399.996441760465
Iter 25: 6115.959687941808
Iter 26: 6665.915093554849
Iter 27: 6832.882201259893
Iter 28: 6541.392749578919
Iter 29: 6813.3456910443165
Iter 30: 6460.800944368402
Iter 31: 6359.635437029245
Iter 32: 6040.891641882451
Iter 33: 6573.930674936448
Iter 34: 6668.031753293785
Iter 35: 6450.002712889748
Iter 36: 6519.8298811058075
Iter 37: 6467.134502398199
Iter 38: 6655.284651397334
Iter 39: 6371.168353987336
Iter 40: 6480.337259347923
Iter 41: 6339.256786764425
Iter 42: 6588.635046825541
Iter 43: 6617.677964971322
Iter 44: 6469.0441600679205
Iter 45: 6567.874244906106
Iter 46: 6217.899975264532
Iter 47: 6783.481394627947
Iter 48: 6813.371853626112
Iter 49: 6506.5871531488765
message: Maximum number of function evaluations has been exceeded.
success: False
status: 2
fun: 6040.891641882451
x: [ 1.375e+00 1.951e+00 ... 1.923e-01 4.087e-02]
nfev: 50
maxcv: 0.0

الخطوة 4: المعالجة اللاحقة وإعادة النتيجة بالتنسيق الكلاسيكي المطلوب

تُحدَّد تقسيمات العقد بتقييم إشارة القيم المتوقعة لسلاسل Pauli التي تُشفِّر العقد.

# Calculate the partitions based on the final expectation values
# If the expectation value is positive, the node belongs to partition 0 (par0)
# Otherwise, the node belongs to partition 1 (par1)

par0, par1 = set(), set()

for i in experiment_result[-1]["exp_map"]:
if experiment_result[-1]["exp_map"][i] >= 0:
par0.add(i)
else:
par1.add(i)
print(par0, par1)
{0, 1, 4, 8, 9, 10, 12, 13, 14, 15, 16, 18, 25, 27, 31, 32, 34, 36, 38, 39, 40, 41, 44, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 57, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 68, 71, 79, 81, 82, 86, 88, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 99, 100, 105, 106, 107, 112, 114, 115, 121, 123, 129, 133, 134, 145, 147, 161, 165, 166, 168, 171, 173, 184, 185, 187, 188, 192, 193, 194, 196, 197, 198, 202, 205, 206, 207, 208, 209, 210, 211, 215, 217, 218, 219, 220, 221, 225, 226, 227, 228, 229, 230, 231, 232, 233, 234, 235, 236, 238, 241, 242, 243, 244, 246, 247, 248, 249, 251, 252, 253, 255, 256, 257, 258, 259, 261, 262, 264, 265, 266, 268, 269, 270, 272, 273, 275, 276, 277, 278, 279, 281, 283, 284, 285, 286, 288, 292, 293, 294, 299, 300, 303, 305, 306, 307, 308, 310, 312, 313, 314, 316, 317, 319, 321, 326, 327, 328, 333, 336, 338, 340, 341, 342, 344, 345, 346, 349, 351, 352, 353, 356, 357, 360, 361, 362, 363, 364, 366, 368, 370, 374, 378, 379, 380, 381, 382, 383, 384, 386, 387, 388, 389, 390, 391, 393, 394, 395, 396, 397, 398, 404, 405, 406, 409, 411, 413, 415, 416, 418, 421, 425, 426, 427, 428, 429, 433, 434, 435, 437, 444, 450, 456, 457, 458, 459, 462, 463, 465, 467, 469, 470, 472, 476, 479, 484, 487, 489, 492, 493, 497, 498, 499, 502, 506, 508, 513, 516, 517, 518, 519, 521, 523, 526, 527, 528, 531, 532, 533, 535, 536, 537, 539, 540, 541, 542, 543, 544, 545, 547, 549, 550, 552, 557, 562, 563, 564, 565, 567, 568, 569, 570, 571, 572, 573, 576, 578, 579, 580, 583, 585, 587, 588, 589, 591, 595, 596, 597, 600, 602, 603, 604, 605, 606, 607, 608, 609, 610, 612, 618, 619, 623, 624, 625, 626, 627, 628, 630, 632, 636, 637, 640, 644, 646, 649, 652, 656, 657, 658, 659, 661, 662, 663, 664, 667, 669, 670, 671, 672, 674, 675, 676, 677, 678, 679, 680, 681, 682, 683, 684, 685, 686, 687, 688, 689, 690, 692, 693, 694, 695, 696, 698, 700, 701, 703, 706, 707, 708, 709, 712, 713, 714, 716, 717, 718, 719, 721, 722, 723, 724, 725, 726, 728, 730, 731, 733, 734, 735, 737, 739, 740, 741, 743, 744, 746, 748, 750, 751, 752, 753, 754, 758, 760, 761, 762, 763, 764, 765, 766, 774, 778, 780, 782, 787, 795, 800, 802, 803, 808, 809, 812, 818, 822, 825, 827, 834, 836, 840, 843, 845, 847, 850, 853, 854, 857, 858, 863, 864, 865, 866, 867, 868, 869, 870, 872, 873, 874, 875, 876, 878, 880, 881, 882, 883, 884, 885, 887, 888, 889, 890, 891, 893, 894, 895, 896, 898, 901, 902, 903, 904, 905, 907, 908, 910, 911, 912, 913, 914, 915, 916, 917, 918, 920, 921, 923, 925, 926, 928, 929, 930, 932, 934, 935, 936, 938, 939, 941, 943, 945, 946, 947, 948, 949, 953, 955, 956, 957, 958, 959, 961, 966, 975, 978, 980, 983, 988, 990, 996, 999} {2, 3, 5, 6, 7, 11, 17, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 26, 28, 29, 30, 33, 35, 37, 42, 43, 45, 53, 54, 55, 56, 58, 59, 67, 69, 70, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 80, 83, 84, 85, 87, 89, 90, 97, 98, 101, 102, 103, 104, 108, 109, 110, 111, 113, 116, 117, 118, 119, 120, 122, 124, 125, 126, 127, 128, 130, 131, 132, 135, 136, 137, 138, 139, 140, 141, 142, 143, 144, 146, 148, 149, 150, 151, 152, 153, 154, 155, 156, 157, 158, 159, 160, 162, 163, 164, 167, 169, 170, 172, 174, 175, 176, 177, 178, 179, 180, 181, 182, 183, 186, 189, 190, 191, 195, 199, 200, 201, 203, 204, 212, 213, 214, 216, 222, 223, 224, 237, 239, 240, 245, 250, 254, 260, 263, 267, 271, 274, 280, 282, 287, 289, 290, 291, 295, 296, 297, 298, 301, 302, 304, 309, 311, 315, 318, 320, 322, 323, 324, 325, 329, 330, 331, 332, 334, 335, 337, 339, 343, 347, 348, 350, 354, 355, 358, 359, 365, 367, 369, 371, 372, 373, 375, 376, 377, 385, 392, 399, 400, 401, 402, 403, 407, 408, 410, 412, 414, 417, 419, 420, 422, 423, 424, 430, 431, 432, 436, 438, 439, 440, 441, 442, 443, 445, 446, 447, 448, 449, 451, 452, 453, 454, 455, 460, 461, 464, 466, 468, 471, 473, 474, 475, 477, 478, 480, 481, 482, 483, 485, 486, 488, 490, 491, 494, 495, 496, 500, 501, 503, 504, 505, 507, 509, 510, 511, 512, 514, 515, 520, 522, 524, 525, 529, 530, 534, 538, 546, 548, 551, 553, 554, 555, 556, 558, 559, 560, 561, 566, 574, 575, 577, 581, 582, 584, 586, 590, 592, 593, 594, 598, 599, 601, 611, 613, 614, 615, 616, 617, 620, 621, 622, 629, 631, 633, 634, 635, 638, 639, 641, 642, 643, 645, 647, 648, 650, 651, 653, 654, 655, 660, 665, 666, 668, 673, 691, 697, 699, 702, 704, 705, 710, 711, 715, 720, 727, 729, 732, 736, 738, 742, 745, 747, 749, 755, 756, 757, 759, 767, 768, 769, 770, 771, 772, 773, 775, 776, 777, 779, 781, 783, 784, 785, 786, 788, 789, 790, 791, 792, 793, 794, 796, 797, 798, 799, 801, 804, 805, 806, 807, 810, 811, 813, 814, 815, 816, 817, 819, 820, 821, 823, 824, 826, 828, 829, 830, 831, 832, 833, 835, 837, 838, 839, 841, 842, 844, 846, 848, 849, 851, 852, 855, 856, 859, 860, 861, 862, 871, 877, 879, 886, 892, 897, 899, 900, 906, 909, 919, 922, 924, 927, 931, 933, 937, 940, 942, 944, 950, 951, 952, 954, 960, 962, 963, 964, 965, 967, 968, 969, 970, 971, 972, 973, 974, 976, 977, 979, 981, 982, 984, 985, 986, 987, 989, 991, 992, 993, 994, 995, 997, 998}

يمكننا حساب حجم القطع لمسألة Max-Cut باستخدام تقسيمات العقدة.

cut_size = calc_cut_size(graph, par0, par1)
print(f"Cut size: {cut_size}")
Cut size: 24682

بمجرد اكتمال التدريب، نُجري جولة واحدة من بحث تبديل البت الأحادي لتحسين الحل كخطوة معالجة لاحقة كلاسيكية. في هذه العملية، نبدّل تقسيمات عقدتين ونقيّم حجم القطع. إذا تحسّن حجم القطع، نحتفظ بالتبديل. نكرر هذه العملية لجميع أزواج العقد الممكنة المتصلة بحافة.

best_bits = []
cur_bits = []

for i in experiment_result[-1]["exp_map"]:
if experiment_result[-1]["exp_map"][i] >= 0:
cur_bits.append(1)
else:
cur_bits.append(0)
print(cur_bits)
[1, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1]
# Swap the partitions and calculate the cut size
best_cut = 0
for edge0, edge1 in graph.edge_list():
swapped_bits = cur_bits.copy()
swapped_bits[edge0], swapped_bits[edge1] = (
swapped_bits[edge1],
swapped_bits[edge0],
)

cur_partition = [set(), set()]
for i, bit in enumerate(swapped_bits):
if bit > 0:
cur_partition[0].add(i)
else:
cur_partition[1].add(i)
cut_size = calc_cut_size(graph, cur_partition[0], cur_partition[1])
if best_cut < cut_size:
best_cut = cut_size
best_bits = swapped_bits

print(best_cut, best_bits)
24733 [1, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1]

المراجع

[1] Sciorilli, M., Borges, L., Patti, T. L., García-Martín, D., Camilo, G., Anandkumar, A., & Aolita, L. (2024). Towards large-scale quantum optimization solvers with few qubits. arXiv preprint arXiv:2401.09421.

استطلاع الدرس التطبيقي

يُرجى إجراء هذا الاستطلاع القصير لتقديم ملاحظاتك حول هذا الدرس التطبيقي. ستساعدنا آراؤك في تحسين محتوانا وتجربة المستخدم.

رابط الاستطلاع