קידוד קורלציית Pauli לצמצום דרישות max-cut

הערכת שימוש: 35 דקות על מעבד Eagle r3 (הערה: זוהי הערכה בלבד. זמן הריצה שלך עשוי להשתנות.)

תוצאות למידה

לאחר לימוד מדריך זה, המשתמשים יכולים לצפות לתוצאות הבאות:

הבנת העקרונות התיאורטיים מאחורי קידוד קורלציית Pauli (PCE), כולל כיצד מחרוזות Pauli רב‑גופיות מאפשרות דחיסה פולינומית של בעיות אופטימיזציה קלאסיות.
יישום PCE בפועל לקידוד ופתרון משימות אופטימיזציה בקנה מידה גדול על חומרה קוונטית קרובת-טווח.

דרישות מוקדמות

מומלץ להכיר את הנושאים הבאים לפני שתעברו על מדריך זה:

רקע

מדריך זה מציג קידוד קורלציית Pauli (PCE) [1], גישה המיועדת לקידוד בעיות אופטימיזציה לתוך qubits ביעילות רבה יותר עבור חישוב קוונטי. PCE ממפה משתנים קלאסיים בבעיות אופטימיזציה לקורלציות של מטריצות Pauli רב-גופיות, וכתוצאה מכך דחיסה פולינומית של דרישות המרחב של הבעיה. על ידי שימוש ב-PCE, מספר ה-qubits הנדרשים לקידוד מצטמצם, מה שהופך זאת לאטרקטיבי במיוחד עבור התקנים קוונטיים קרובי-טווח עם משאבי qubit מוגבלים. יתרה מכך, הוכח באופן אנליטי ש-PCE מפחית באופן מובנה רמות-מישור עקרות, ומציע עמידות סופר-פולינומית כנגד תופעה זו. תכונה מובנית זו מאפשרת ביצועים חסרי תקדים בפותרי אופטימיזציה קוונטית.

סקירה כללית

גישת ה-PCE מורכבת משלושה שלבים עיקריים, כפי שמודגם באיור 1 מ-[1] להלן:

קידוד בעיית האופטימיזציה למרחב קורלציית Pauli.
פתרון הבעיה באמצעות פותר אופטימיזציה קוונטי-קלאסי.
פענוח הפתרון בחזרה למרחב האופטימיזציה המקורי. גישת ה-PCE ניתנת להתאמה לכל פותר אופטימיזציה קוונטי המסוגל לעבד מטריצות קורלציית Pauli. באיור 1 מ-[1], בעיית max-cut משמשת כדוגמה להמחשת גישת ה-PCE. בעיית max-cut עם $m=9$ צמתים מקודדת למרחב קורלציית Pauli, המייצגת את בעיית האופטימיזציה כמטריצת קורלציה — באופן ספציפי, קורלציות של מטריצות Pauli דו-גופיות על פני $n=3$ qubits $(Q_1, Q_2, Q_3)$ . צבעי הצמתים מציינים את מחרוזת Pauli המשמשת לכל צומת מקודד. לדוגמה, צומת 1, המתאים למשתנה בינארי $x_1$ , מקודד על ידי ערך התוחלת של $Z_1 \otimes Z_2 \otimes I_3$ , בעוד $x_8$ מקודד על ידי $I_1 \otimes Y_2 \otimes Y_3$ . זה מתאים לדחיסת $m$ המשתנים של הבעיה ל- $n = O(m^{1/2})$ qubits. באופן רחב יותר, קורלציות $k$ -גופיות מאפשרות דחיסות פולינומיות מסדר $k$ , כאשר $k>1$ . קבוצת Pauli שנבחרה כוללת שלוש תת-קבוצות של מחרוזות Pauli קומוטטיביות הדדיות, מה שמאפשר הערכה ניסיונית של כל $m$ הקורלציות עם רק שלוש הגדרות מדידה.

נבנית פונקציית הפסד $\mathcal{L}$ של ערכי תוחלת Pauli שמחקה את פונקציית היעד המקורית של max-cut. פונקציית ההפסד אז עוברת אופטימיזציה באמצעות פותר אופטימיזציה קוונטי-קלאסי, כמו Variational Quantum Eigensolver (VQE).

לאחר השלמת האופטימיזציה, הפתרון מפוענח בחזרה למרחב האופטימיזציה המקורי, ומניב את הפתרון האופטימלי של max-cut.

דרישות

לפני תחילת מדריך זה, ודא שהמותקנים הבאים זמינים:

Qiskit SDK v1.0 ומעלה, עם תמיכה ב-visualization
Qiskit Runtime v0.22 ומעלה (pip install qiskit-ibm-runtime)

הגדרה

# Added by doQumentation — required packages for this notebook
!pip install -q networkx numpy qiskit qiskit-aer qiskit-ibm-runtime rustworkx scipy

from itertools import combinations

import numpy as np
import rustworkx as rx
import networkx as nx

from scipy.optimize import minimize, OptimizeResult

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
from qiskit_aer import AerSimulator

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

דוגמה קטנה עם סימולטור

service = QiskitRuntimeService()
real_backend = service.least_busy(
    operational=True, simulator=False, min_num_qubits=156
)
backend = AerSimulator.from_backend(real_backend)
print(f"We are using the {backend.name}")

We are using the aer_simulator_from(ibm_pittsburgh)

שלב 1: מיפוי קלטים קלאסיים לבעיה קוונטית

בעיית max-cut

בעיית max-cut היא בעיית אופטימיזציה קומבינטורית המוגדרת על גרף $G = (V, E)$ , כאשר $V$ היא קבוצת הקודקודים ו- $E$ היא קבוצת הקשתות. המטרה היא לחלק את הקודקודים לשתי קבוצות, $S$ ו- $V \setminus S$ , כך שמספר הקשתות בין שתי הקבוצות יהיה מקסימלי. לתיאור מפורט של בעיית max-cut, ראה במדריך Quantum approximate optimization algorithm. בעיית max-cut משמשת גם כדוגמה במדריך Advanced techniques for QAOA. במדריכים אלו, אלגוריתם QAOA משמש לפתרון בעיית max-cut.

גרף -> המילטוניאן

בואו נתחיל עם גרף אקראי עם 100 צמתים.

num_nodes = 100  # Number of nodes in graph
seed = 42
graph = rx.undirected_gnp_random_graph(num_nodes, 0.1, seed=seed)
mpl_draw(graph)

Output of the previous code cell

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: 345

אנחנו מקודדים את הגרף עם 100 צמתים לתוך קורלציות של מטריצות Pauli דו-גופיות על פני תשעה qubits (ראה הסבר להלן). הגרף מיוצג כמטריצת קורלציה, כאשר כל צומת מקודד על ידי מחרוזת Pauli. הסימן של ערך התוחלת של מחרוזת Pauli מציין את החלוקה של הצומת. לדוגמה, צומת 0 מקודד על ידי מחרוזת Pauli, $\prod_0 = I_{8} \otimes ... I_2 \otimes X_1 \otimes X_0$ . הסימן של ערך התוחלת של מחרוזת Pauli זו מציין את החלוקה של צומת 0. אנחנו מגדירים קידוד קורלציית Pauli (PCE) ביחס ל- $\prod$ כ

$x_i \coloneqq \textit{sgn}(\langle\prod_i \rangle),$

כאשר $x_i$ היא החלוקה של צומת $i$ ו- $\langle \prod_i \rangle \coloneqq \langle \psi |\prod_i| \psi \rangle$ הוא ערך התוחלת של מחרוזת Pauli המקודדת צומת $i$ על פני מצב קוונטי $|\psi \rangle$ . כעת, בואו נקודד את הגרף להמילטוניאן באמצעות PCE. אנחנו מחלקים את הצמתים לשלוש קבוצות: $S_1$ , $S_2$ , ו- $S_3$ . לאחר מכן, אנחנו מקודדים את הצמתים בכל קבוצה באמצעות מחרוזות Pauli עם $X$ , $Y$ , ו- $Z$ , בהתאמה. עלינו לחלץ את הקשר בין מספר הצמתים ל-qubits שנצטרך כדי לקודד את כל הצמתים. שימוש בכל התמורות האפשריות לקידוד מניב:

m=3\binom{n}{k}.

בדוגמה זו אנחנו בוחרים $k=2$ , לפיכך,

m = \frac{3}{2} n(n-1).

לכן, מספר ה-qubits $n$ הנדרש לביטוי מספר מסוים של צמתים $m$ הוא:

n = \left\lceil \frac{1 + \sqrt{1 + \tfrac{8}{3}m}}{2} \right\rceil.

שים לב שהסימן $\lceil \cdot \rceil$ מייצג את פונקציית התקרה, המעגלת כל מספר ממשי כלפי מעלה לשלם הבא. זה מבטיח שמספר ה-qubits יהיה שלם.

num_qubits = int(np.ceil((1 + np.sqrt(1 + (8 / 3) * num_nodes)) / 2))

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(f"Number of qubits: {num_qubits}")
print("List 1:", node_x)
print("List 2:", node_y)
print("List 3:", node_z)

Number of qubits: 9
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]
List 2: [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]
List 3: [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]

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
)

שלב 2: אופטימיזציה של הבעיה לביצוע על חומרה קוונטית

מעגל קוונטי

כאן, המצב $|\psi \rangle$ הוא בעל פרמטרים $\mathbf{\theta}$ , ואנו מבצעים אופטימיזציה של הפרמטרים $\mathbf{\theta}$ הללו באמצעות גישה וריאציונית. מדריך זה משתמש ב-ansatz efficient_su2 עבור האלגוריתם הוריאציוני שלנו בשל יכולות הביטוי והקלות ביישום שלו. אנחנו גם משתמשים בפונקציית ההפסד הרגועה, שתוצג מאוחר יותר במדריך זה. כתוצאה מכך, אנחנו יכולים להתמודד עם בעיות בקנה מידה גדול עם פחות qubits ועומקי מעגל רדודים יותר.

# Build the quantum circuit
qc = efficient_su2(num_qubits, su2_gates=["ry", "rz"], reps=2)
qc.draw("mpl")

Output of the previous code cell

# Optimize the circuit

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

פונקציית הפסד

עבור פונקציית ההפסד $\mathcal{L}$ , אנחנו משתמשים ברילקסציה של פונקציית היעד של max-cut כפי שמתואר ב-[1], המוגדרת כ- $\mathcal{V}(\mathbf{x}) \coloneqq \sum_{(i, j) \in E} W_{i, j}(1-x_i x_j)$ . כאן, $W_{i, j}$ מציין את המשקל של הקשת $(i, j)$ , ו- $x_i$ מייצג את החלוקה של צומת $i$ . פונקציית ההפסד $\mathcal{L}$ ניתנת על ידי:

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

כאשר פונקציית היעד של max-cut מוחלפת בטנגנסים היפרבוליים חלקים של ערכי התוחלת של מחרוזות Pauli המקודדות את הצמתים. איבר הרגולריזציה $\mathcal{L}^{(\text{reg})}$ וגורם קנה המידה $\alpha$ , פרופורציונלי למספר ה-qubits, מוצגים לשיפור ביצועי הפותר.

איבר הרגולריזציה מוגדר כ:

$\mathcal{L}^{(\text{reg})}$ מוגדר כ- $\mathcal{L}^{(\text{reg})} \coloneqq \beta \nu \lbrack \frac{1}{m} \sum_{i \in V} \text{tanh} (\alpha \langle\prod_i \rangle)^2 \rbrack ^2$

כאשר $\beta=1/2$ , $\nu = |E|/2 + (m -1) /4$ , $|E|$ הוא מספר הקשתות, ו- $m$ הוא מספר הצמתים בגרף.

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

שלב 3: ביצוע באמצעות primitives של Qiskit

במדריך זה, אנחנו מגדירים max_iter=50 בלולאת האופטימיזציה למטרות הדגמה. אם נגדיל את מספר האיטרציות, נוכל לצפות לתוצאות טובות יותר.

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]
)

max_iter = 50
counter = {"i": 0}
last_x = {"value": None}
last_fun = {"value": None}

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

    experiment_result = []

    def loss_func(x):
        last_x["value"] = x.copy()
        if counter["i"] + 1 > max_iter:
            return last_fun["value"]
        counter["i"] += 1
        val = loss_func_estimator(
            x, qc, [pce[0], pce[1], pce[2]], estimator, graph
        )
        last_fun["value"] = val
        return val

    np.random.seed(seed)
    initial_params = np.random.rand(qc.num_parameters)

    result = minimize(
        loss_func, initial_params, method="COBYLA", options={"rhobeg": 1.0}
    )

    if counter["i"] >= max_iter:
        result = OptimizeResult(
            message=f"Return from COBYLA because the objective function "
            f"has been evaluated {max_iter} times.",
            success=False,
            status=3,
            fun=last_fun["value"],
            x=last_x["value"],
            nfev=counter["i"],
        )

print(result)

Iter 0: 159.88755362682548
Iter 1: 113.46202580636677
Iter 2: 56.76494226400048
Iter 3: 32.63357946896002
Iter 4: 21.517837239610117
Iter 5: 30.96034960483569
Iter 6: 20.780475923938027
Iter 7: 24.54251816279811
Iter 8: 27.834486461763042
Iter 9: 16.705460776812693
Iter 10: 18.020587887236864
Iter 11: 12.252379762741352
Iter 12: 5.253885750886939
Iter 13: 6.985984759592262
Iter 14: 6.908717244584757
Iter 15: 12.915466016863858
Iter 16: 4.105776920457279
Iter 17: 11.707504530740305
Iter 18: 7.154360511076546
Iter 19: 10.3890865704735
Iter 20: 10.376147647857252
Iter 21: 2.533430195296697
Iter 22: 3.8612421907795462
Iter 23: 6.103735057461906
Iter 24: -1.1190368234312347
Iter 25: 6.125915279494738
Iter 26: 11.086280445482455
Iter 27: 10.102569882302827
Iter 28: -0.02664415648133822
Iter 29: 7.621887727398785
Iter 30: 5.967346615554497
Iter 31: 3.85345716014828
Iter 32: 4.5494846149011
Iter 33: 10.006668112637232
Iter 34: -3.1927138938527877
Iter 35: 2.8829882366285116
Iter 36: 3.3130087521654144
Iter 37: -4.907566569808272
Iter 38: -4.980134722109894
Iter 39: -2.990457463896541
Iter 40: -5.938401817344579
Iter 41: -2.1807712386469724
Iter 42: -1.0945774380342126
Iter 43: -4.7548102593556685
Iter 44: -3.8762362299208144
Iter 45: -4.9348321021624
Iter 46: -6.487722842864011
Iter 47: 0.7064210113389331
Iter 48: -2.3428323031772216
Iter 49: -2.626032270380895
 message: Return from COBYLA because the objective function has been evaluated 50 times.
 success: False
  status: 3
     fun: -2.626032270380895
       x: [ 1.375e+00  1.951e+00 ...  9.395e-01  8.948e-01]
    nfev: 50

שלב 4: עיבוד לאחר ביצוע והחזרת התוצאה בפורמט קלאסי רצוי

החלוקות של הצמתים נקבעות על ידי הערכת הסימן של ערכי התוחלת של מחרוזות Pauli המקודדות את הצמתים.

# 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)
def get_partitions(experiment_result):
    par0, par1 = set(), set()
    best_index = min(
        range(len(experiment_result)),
        key=lambda i: experiment_result[i]["loss"],
    )
    for i in experiment_result[best_index]["exp_map"]:
        if experiment_result[best_index]["exp_map"][i] >= 0:
            par0.add(i)
        else:
            par1.add(i)
    return par0, par1, best_index

par0, par1, best_index = get_partitions(experiment_result)
print(par0, par1)

{0, 2, 3, 8, 9, 11, 12, 13, 17, 18, 20, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 30, 35, 37, 38, 40, 43, 46, 48, 49, 50, 51, 53, 57, 61, 62, 63, 66, 67, 68, 70, 71, 74, 77, 81, 82, 83, 84, 87, 88, 94, 96, 99} {1, 4, 5, 6, 7, 10, 14, 15, 16, 19, 21, 28, 29, 31, 32, 33, 34, 36, 39, 41, 42, 44, 45, 47, 52, 54, 55, 56, 58, 59, 60, 64, 65, 69, 72, 73, 75, 76, 78, 79, 80, 85, 86, 89, 90, 91, 92, 93, 95, 97, 98}

אנחנו יכולים לחשב את גודל החיתוך של בעיית max-cut באמצעות החלוקות של הצומת.

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

Cut size: 268

לאחר השלמת האימון, אנחנו מבצעים סיבוב אחד של חיפוש החלפת ביט בודד לשיפור הפתרון כשלב עיבוד-לאחר קלאסי. בתהליך זה, אנחנו מחליפים את החלוקות של שני צמתים ומעריכים את גודל החיתוך. אם גודל החיתוך משתפר, אנחנו שומרים את ההחלפה. אנחנו חוזרים על תהליך זה עבור כל זוגות הצמתים האפשריים המחוברים בקשת.

cur_bits = []

for i in experiment_result[best_index]["exp_map"]:
    if experiment_result[best_index]["exp_map"][i] >= 0:
        cur_bits.append(1)
    else:
        cur_bits.append(0)
print(cur_bits)

[1, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 1]

# Swap the partitions and calculate the cut size

def swap_partitions(graph, cur_bits):
    best_cut = 0
    best_bits = []
    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
    return best_cut, best_bits

best_cut, best_bits = swap_partitions(graph, cur_bits)
print(best_cut, best_bits)

279 [1, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 1]

דוגמה בקנה מידה גדול על חומרה אמיתית

# -------------------------Step 1-------------------------

num_nodes = 1500  # Number of nodes in graph
graph = rx.undirected_gnp_random_graph(num_nodes, 0.1, seed=seed)
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])

num_qubits = int(np.ceil((1 + np.sqrt(1 + (8 / 3) * num_nodes)) / 2))

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)]

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
)
print(f"We are using {num_qubits} qubits")

# -------------------------Step 2-------------------------
backend = real_backend
print(f"We are using the {backend.name}")
qc = efficient_su2(num_qubits, ["ry", "rz"], reps=2)
pm = generate_preset_pass_manager(optimization_level=3, backend=backend)
qc = pm.run(qc)
# -------------------------Step 3-------------------------
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 a session.
max_iter = 50
counter = {"i": 0}
with Session(backend=backend) as session:
    estimator = Estimator(mode=session)
    estimator.options.environment.job_tags = ["TUT_PCEFQ"]
    experiment_result = []

    def loss_func(x):
        last_x["value"] = x.copy()
        if counter["i"] + 1 > max_iter:
            return last_fun["value"]
        counter["i"] += 1
        val = loss_func_estimator(
            x, qc, [pce[0], pce[1], pce[2]], estimator, graph
        )
        last_fun["value"] = val
        return val

    np.random.seed(seed)
    initial_params = np.random.rand(qc.num_parameters)
    result = minimize(
        loss_func, initial_params, method="COBYLA", options={"rhobeg": 1.0}
    )
    if counter["i"] >= max_iter:
        result = OptimizeResult(
            message="Return from COBYLA because the objective function "
            "has been evaluated {max_iter} times.",
            success=False,
            status=3,
            fun=last_fun["value"],
            x=last_x["value"],
            nfev=counter["i"],
        )
print(result)

# -------------------------Step 4-------------------------

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

best_bits = []
cur_bits = []
for i in experiment_result[best_index]["exp_map"]:
    if experiment_result[best_index]["exp_map"][i] >= 0:
        cur_bits.append(1)
    else:
        cur_bits.append(0)
best_cut, best_bits = swap_partitions(graph, cur_bits)
# Print final solution

print(
    f"The best max-cut value achieved for a graph with {num_nodes} nodes "
    f"on {num_qubits} qubits is {best_cut}"
)
print(f"and the specific partition we obtained is {best_bits}")

We are using 33 qubits
We are using the ibm_pittsburgh
Iter 0: 57399.57543902076
Iter 1: 56458.787143794
Iter 2: 40778.45608998947
Iter 3: 35571.58511146131
Iter 4: 33861.6835761173
Iter 5: 39697.22637736274
Iter 6: 34984.77893767163
Iter 7: 32051.882157096858
Iter 8: 26134.153216063707
Iter 9: 24914.322627065787
Iter 10: 24030.21227315425
Iter 11: 23047.463945514
Iter 12: 22629.42866110748
Iter 13: 17374.859132614685
Iter 14: 18020.11637762458
Iter 15: 17924.7066364044
Iter 16: 15825.1992250984
Iter 17: 16553.346711978447
Iter 18: 12393.565736512377
Iter 19: 11994.021456089155
Iter 20: 11199.994322735669
Iter 21: 9624.895532927634
Iter 22: 9073.811130188606
Iter 23: 9836.721241931278
Iter 24: 10555.925186133794
Iter 25: 9179.1179493286
Iter 26: 8495.394826965305
Iter 27: 8913.688189840399
Iter 28: 7830.448471810181
Iter 29: 7757.430542422075
Iter 30: 6796.187594518731
Iter 31: 7307.985913766867
Iter 32: 7340.225833330675
Iter 33: 7064.731899380469
Iter 34: 7632.270657372515
Iter 35: 7049.154710767935
Iter 36: 7486.118442084411
Iter 37: 6302.12602219333
Iter 38: 6244.934230209166
Iter 39: 7154.9748739261395
Iter 40: 6482.109600054041
Iter 41: 5718.475169152395
Iter 42: 5693.008457857462
Iter 43: 4869.782667921923
Iter 44: 4957.625304450959
Iter 45: 5582.240637063214
Iter 46: 4983.90082772116
Iter 47: 5416.268575648202
Iter 48: 4809.98398457807
Iter 49: 5092.527306646118
 message: Return from COBYLA because the objective function has been evaluated 50 times.
 success: False
  status: 3
     fun: 5092.527306646118
       x: [ 1.375e+00  1.951e+00 ...  7.259e-01  8.971e-01]
    nfev: 50
Cut size: 56152
The best max-cut value achieved for a graph with 1500 nodes on 33 qubits is 56219
and the specific partition we obtained is [1, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1]

הצעדים הבאים

המלצות

אם מצאת עבודה זו מעניינת, ייתכן שתתעניין בחומר הבא:

הפניות

[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.

סקר המדריך

מלא סקר קצר זה כדי לספק משוב על מדריך זה. התובנות שלך יעזרו לנו לשפר את הצעות התוכן ואת חווית המשתמש שלנו.

הערה: סקר זה הוא מטעם IBM Quantum ומתייחס לתוכן המדריך (שנכתב על-ידי IBM). doQumentation מספק את האתר, התרגומים והרצת הקוד — למשוב על אלה, אנא פתח בעיה ב-GitHub.

תוצאות למידה​

דרישות מוקדמות​

רקע​

סקירה כללית​

דרישות​

הגדרה​

דוגמה קטנה עם סימולטור​

שלב 1: מיפוי קלטים קלאסיים לבעיה קוונטית​

בעיית max-cut​

גרף -> המילטוניאן​

שלב 2: אופטימיזציה של הבעיה לביצוע על חומרה קוונטית​

מעגל קוונטי​

פונקציית הפסד​

שלב 3: ביצוע באמצעות primitives של Qiskit​

שלב 4: עיבוד לאחר ביצוע והחזרת התוצאה בפורמט קלאסי רצוי​