Kodowanie korelacji Pauliego w celu redukcji wymagań max-cut

Szacowany czas użytkowania: 35 minut na procesorze Eagle r3 (UWAGA: To jest jedynie szacunek. Twój czas działania może się różnić.)

Cele uczenia się

Po przejściu przez ten samouczek użytkownicy powinni oczekiwać następujących wyników:

Zrozumienie teoretycznych zasad stojących za kodowaniem korelacji Pauliego (PCE), w tym tego, jak wielociałowe łańcuchy Pauliego umożliwiają wielomianową kompresję klasycznych problemów optymalizacyjnych.
Implementacja PCE w praktyce w celu kodowania i rozwiązywania problemów optymalizacyjnych na dużą skalę na sprzęcie kwantowym bliskiej przyszłości.

Wymagania wstępne

Przed przejściem przez ten samouczek zalecamy zapoznanie się z następującymi tematami:

Tło

Ten samouczek przedstawia kodowanie korelacji Pauliego (PCE) [1], podejście zaprojektowane w celu kodowania problemów optymalizacyjnych w qubitach z większą wydajnością dla obliczeń kwantowych. PCE odwzorowuje zmienne klasyczne w problemach optymalizacyjnych na korelacje wielociałowych macierzy Pauliego, co skutkuje wielomianową kompresją wymagań przestrzennych problemu. Dzięki zastosowaniu PCE zmniejsza się liczba qubitów potrzebnych do kodowania, co jest szczególnie korzystne dla urządzeń kwantowych bliskiej przyszłości z ograniczonymi zasobami qubitowymi. Ponadto analitycznie wykazano, że PCE z natury łagodzi jałowe plateau, oferując super-wielomianową odporność na to zjawisko. Ta wbudowana cecha umożliwia bezprecedensową wydajność kwantowych solverów optymalizacyjnych.

Przegląd

Podejście PCE składa się z trzech głównych kroków, jak zilustrowano na Rysunku 1 z [1] poniżej:

Kodowanie problemu optymalizacyjnego w przestrzeni korelacji Pauliego.
Rozwiązywanie problemu przy użyciu kwantowo-klasycznego solvera optymalizacyjnego.
Dekodowanie rozwiązania z powrotem do oryginalnej przestrzeni optymalizacyjnej. Podejście PCE jest adaptowalne do dowolnego kwantowego solvera optymalizacyjnego zdolnego do przetwarzania macierzy korelacji Pauliego. Na Rysunku 1 z [1] problem max-cut jest używany jako przykład do zilustrowania podejścia PCE. Problem max-cut z $m=9$ węzłami jest zakodowany w przestrzeni korelacji Pauliego, reprezentując problem optymalizacyjny jako macierz korelacji — konkretnie dwuciałowe korelacje macierzy Pauliego na $n=3$ qubitach $(Q_1, Q_2, Q_3)$ . Kolory węzłów wskazują łańcuch Pauliego używany dla każdego zakodowanego węzła. Na przykład węzeł 1, który odpowiada zmiennej binarnej $x_1$ , jest zakodowany przez wartość oczekiwaną $Z_1 \otimes Z_2 \otimes I_3$ , podczas gdy $x_8$ jest zakodowany przez $I_1 \otimes Y_2 \otimes Y_3$ . Odpowiada to kompresji $m$ zmiennych problemu do $n = O(m^{1/2})$ qubitów. Ogólniej, korelacje $k$ -ciałowe umożliwiają wielomianowe kompresje rzędu $k$ , gdzie $k>1$ . Wybrany zbiór Pauliego składa się z trzech podzbiorów wzajemnie przemiennych łańcuchów Pauliego, umożliwiając eksperymentalne szacowanie wszystkich $m$ korelacji przy użyciu tylko trzech ustawień pomiaru.

Konstruuje się funkcję straty $\mathcal{L}$ wartości oczekiwanych Pauliego, która imituje oryginalną funkcję celu max-cut. Funkcja straty jest następnie optymalizowana przy użyciu kwantowo-klasycznego solvera optymalizacyjnego, takiego jak wariacyjny eigensolver kwantowy (VQE).

Po zakończeniu optymalizacji rozwiązanie jest dekodowane z powrotem do oryginalnej przestrzeni optymalizacyjnej, dając optymalne rozwiązanie max-cut.

Wymagania

Przed rozpoczęciem tego samouczka upewnij się, że masz zainstalowane następujące elementy:

Qiskit SDK v1.0 lub nowszy, z obsługą wizualizacji
Qiskit Runtime v0.22 lub nowszy (pip install qiskit-ibm-runtime)

Konfiguracja

# 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

Przykład symulatora małej skali

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)

Krok 1: Odwzorowanie klasycznych danych wejściowych na problem kwantowy

Problem max-cut

Problem max-cut jest kombinatorycznym problemem optymalizacyjnym zdefiniowanym na grafie $G = (V, E)$ , gdzie $V$ jest zbiorem wierzchołków, a $E$ jest zbiorem krawędzi. Celem jest podział wierzchołków na dwa zbiory, $S$ i $V \setminus S$ , tak aby liczba krawędzi między dwoma zbiorami była maksymalna. Szczegółowy opis problemu max-cut znajduje się w samouczku Kwantowy algorytm przybliżonej optymalizacji. Problem max-cut jest również używany jako przykład w samouczku Zaawansowane techniki dla QAOA. W tych samouczkach algorytm QAOA jest używany do rozwiązania problemu max-cut.

Graf -> Hamiltonian

Rozważmy najpierw losowy graf ze 100 węzłami.

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)

Wynik poprzedniej komórki kodu

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

Kodujemy graf ze 100 węzłami na dwuciałowe korelacje macierzy Pauliego na dziewięciu qubitach (patrz wyjaśnienie poniżej). Graf jest reprezentowany jako macierz korelacji, gdzie każdy węzeł jest zakodowany przez łańcuch Pauliego. Znak wartości oczekiwanej łańcucha Pauliego wskazuje podział węzła. Na przykład węzeł 0 jest zakodowany przez łańcuch Pauliego, $\prod_0 = I_{8} \otimes ... I_2 \otimes X_1 \otimes X_0$ . Znak wartości oczekiwanej tego łańcucha Pauliego wskazuje podział węzła 0. Definiujemy kodowanie korelacji Pauliego (PCE) względem $\prod$ jako

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

gdzie $x_i$ jest podziałem węzła $i$ , a $\langle \prod_i \rangle \coloneqq \langle \psi |\prod_i| \psi \rangle$ jest wartością oczekiwaną łańcucha Pauliego kodującego węzeł $i$ dla stanu kwantowego $|\psi \rangle$ . Teraz zakodujmy graf w Hamiltonianie za pomocą PCE. Dzielimy węzły na trzy zbiory: $S_1$ , $S_2$ i $S_3$ . Następnie kodujemy węzły w każdym zbiorze za pomocą łańcuchów Pauliego odpowiednio z $X$ , $Y$ i $Z$ . Musimy wyodrębnić relację między liczbą węzłów a qubitów potrzebnych do zakodowania wszystkich węzłów. Użycie wszystkich możliwych permutacji dla kodowania daje:

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

W tym przykładzie rozważamy $k=2$ , zatem:

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

Dlatego liczba qubitów $n$ potrzebna do wyrażenia pewnej liczby węzłów $m$ wynosi:

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

Zauważ, że symbol $\lceil \cdot \rceil$ reprezentuje funkcję sufitu, która zaokrągla każdą liczbę rzeczywistą w górę do następnej liczby całkowitej. Zapewnia to, że liczba qubitów jest liczbą całkowitą.

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
)

Krok 2: Optymalizacja problemu pod kątem wykonania na sprzęcie kwantowym

Obwód kwantowy

Tutaj stan $|\psi \rangle$ jest sparametryzowany przez $\mathbf{\theta}$ , i optymalizujemy te parametry $\mathbf{\theta}$ za pomocą podejścia wariacyjnego. Ten samouczek wykorzystuje ansatz efficient_su2 dla naszego algorytmu wariacyjnego ze względu na jego możliwości ekspresyjne i łatwość implementacji. Używamy również zrelaksowanej funkcji straty, która zostanie przedstawiona w dalszej części tego samouczka. W rezultacie możemy rozwiązywać problemy na dużą skalę przy użyciu mniejszej liczby qubitów i płytszych głębokości obwodów.

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

Wynik poprzedniej komórki kodu

# Optimize the circuit

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

Funkcja straty

Dla funkcji straty $\mathcal{L}$ używamy relaksacji funkcji celu max-cut, jak opisano w [1], która jest zdefiniowana jako $\mathcal{V}(\mathbf{x}) \coloneqq \sum_{(i, j) \in E} W_{i, j}(1-x_i x_j)$ . Tutaj $W_{i, j}$ oznacza wagę krawędzi $(i, j)$ , a $x_i$ reprezentuje podział węzła $i$ . Funkcja straty $\mathcal{L}$ jest dana przez:

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

gdzie funkcja celu max-cut jest zastąpiona przez gładkie tangensy hiperboliczne wartości oczekiwanych łańcuchów Pauliego kodujących węzły. Człon regularyzacyjny $\mathcal{L}^{(\text{reg})}$ i współczynnik skalowania $\alpha$ , proporcjonalny do liczby qubitów, są wprowadzone w celu poprawy wydajności solvera.

Człon regularyzacyjny jest zdefiniowany jako:

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

gdzie $\beta=1/2$ , $\nu = |E|/2 + (m -1) /4$ , $|E|$ jest liczbą krawędzi, a $m$ jest liczbą węzłów w grafie.

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

Krok 3: Wykonanie przy użyciu prymitywów Qiskit

W tym samouczku ustawiamy max_iter=50 w pętli optymalizacyjnej w celach demonstracyjnych. Jeśli zwiększymy liczbę iteracji, możemy oczekiwać lepszych wyników.

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

Krok 4: Post-processing i zwrócenie wyniku w żądanym klasycznym formacie

Podziały węzłów są określane przez ocenę znaku wartości oczekiwanych łańcuchów Pauliego kodujących węzły.

# 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}

Możemy obliczyć rozmiar cięcia problemu max-cut używając podziałów węzłów.

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

Cut size: 268

Po zakończeniu treningu wykonujemy jedną rundę wyszukiwania zamiany pojedynczego bitu w celu poprawy rozwiązania jako klasyczny krok post-processingu. W tym procesie zamieniamy podziały dwóch węzłów i oceniamy rozmiar cięcia. Jeśli rozmiar cięcia się poprawi, zachowujemy zamianę. Powtarzamy ten proces dla wszystkich możliwych par węzłów połączonych krawędzią.

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]

Przykład sprzętowy na dużą skalę

# -------------------------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]

Następne kroki

Rekomendacje

Jeśli ta praca wydała ci się interesująca, możesz zainteresować się następującymi materiałami:

Referencje

[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.

Ankieta dotycząca samouczka

Wypełnij tę krótką ankietę, aby przekazać opinię na temat tego samouczka. Twoje spostrzeżenia pomogą nam ulepszyć nasze treści i doświadczenie użytkownika.

Uwaga: Ta ankieta jest prowadzona przez IBM Quantum i dotyczy treści samouczka (napisanej przez IBM). doQumentation zapewnia stronę internetową, tłumaczenia i wykonanie kodu — w przypadku opinii na ich temat, prosimy otworzyć zgłoszenie na GitHub.

Cele uczenia się​

Wymagania wstępne​

Tło​

Przegląd​

Wymagania​

Konfiguracja​

Przykład symulatora małej skali​

Krok 1: Odwzorowanie klasycznych danych wejściowych na problem kwantowy​

Problem max-cut​

Graf -> Hamiltonian​

Krok 2: Optymalizacja problemu pod kątem wykonania na sprzęcie kwantowym​

Obwód kwantowy​

Funkcja straty​

Krok 3: Wykonanie przy użyciu prymitywów Qiskit​

Krok 4: Post-processing i zwrócenie wyniku w żądanym klasycznym formacie​