Pauli 상관관계 인코딩을 통한 Maxcut 요구사항 감소

사용 시간 예상: Eagle r3 프로세서 기준 30분 (참고: 이는 추정치이며, 실제 실행 시간은 다를 수 있습니다.)

배경

이 튜토리얼에서는 Pauli 상관관계 인코딩 (PCE) [1]을 소개합니다. PCE는 양자 계산에서 더 높은 효율로 최적화 문제를 Qubit에 인코딩하도록 설계된 접근 방식입니다. PCE는 최적화 문제의 고전 변수를 다체(multi-body) Pauli 행렬 상관관계에 매핑하여 문제의 공간 요구사항을 다항식적으로 압축합니다. PCE를 사용하면 인코딩에 필요한 Qubit 수가 줄어들어, 제한된 Qubit 자원을 가진 근미래 양자 장치에 특히 유리합니다. 또한, PCE가 본질적으로 바렌 플래토(barren plateau) 문제를 완화하며, 이 현상에 대해 초다항식적 내성을 갖는다는 것이 분석적으로 증명되었습니다. 이러한 내장 기능은 양자 최적화 솔버에서 전례 없는 성능을 가능하게 합니다.

개요

PCE 접근 방식은 아래 [1]의 그림 1에 나타난 것처럼 세 가지 주요 단계로 구성됩니다:

1. 최적화 문제를 Pauli 상관관계 공간으로 인코딩합니다.
2. 양자-고전 최적화 솔버를 사용하여 문제를 풉니다.
3. 해를 원래 최적화 공간으로 디코딩합니다. PCE 접근 방식은 Pauli 상관관계 행렬을 처리할 수 있는 모든 양자 최적화 솔버에 적용 가능합니다. [1]의 그림 1에서 Max-Cut 문제를 PCE 접근 방식을 설명하는 예시로 사용합니다. $m=9$ 노드의 Max-Cut 문제는 Pauli 상관관계 공간으로 인코딩되어, $n=3$ Qubit $(Q_1, Q_2, Q_3)$ 에 걸친 2체(2-body) Pauli 행렬 상관관계로서 최적화 문제를 상관관계 행렬로 나타냅니다. 노드의 색상은 각 인코딩된 노드에 사용된 Pauli 문자열을 나타냅니다. 예를 들어, 이진 변수 $x_1$에 해당하는 노드 1은 $Z_1 \otimes Z_2 \otimes I_3$의 기댓값으로 인코딩되며, $x_8$은 $I_1 \otimes Y_2 \otimes Y_3$으로 인코딩됩니다. 이는 문제의 $m$개 변수를 $n = O(m^{1/2})$ Qubit으로 압축하는 것에 해당합니다. 더 일반적으로, $k$체 상관관계는 $k$차 다항식 압축을 가능하게 합니다. 선택된 Pauli 집합은 상호 가환(mutually-commuting) Pauli 문자열의 세 가지 부분 집합으로 구성되어 있어, 단 세 가지 측정 설정으로 모든 $m$개의 상관관계를 실험적으로 추정할 수 있습니다.

원래 Max-Cut 목적 함수를 모방하는 Pauli 기댓값의 손실 함수 $\mathcal{L}$이 구성됩니다. 그런 다음, VQE(Variational Quantum Eigensolver)와 같은 양자-고전 최적화 솔버를 사용하여 손실 함수를 최적화합니다.

최적화가 완료되면, 해는 원래 최적화 공간으로 디코딩되어 최적의 Max-Cut 해를 산출합니다.

요구사항

이 튜토리얼을 시작하기 전에 다음이 설치되어 있는지 확인하세요:

• Qiskit SDK v1.0 이상, 시각화 지원 포함
• Qiskit Runtime v0.22 이상 (pip install qiskit-ibm-runtime)

설정

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

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

1단계: 고전적 입력을 양자 문제로 매핑하기

Max-Cut 문제

Max-Cut 문제는 그래프 $G = (V, E)$에서 정의되는 조합 최적화 문제로, $V$는 꼭짓점의 집합이고 $E$는 간선의 집합입니다. 목표는 두 집합 $S$와 $V \setminus S$ 사이의 간선 수가 최대가 되도록 꼭짓점을 두 집합으로 분할하는 것입니다. Max-Cut 문제에 대한 자세한 설명은 "양자 근사 최적화 알고리즘" 튜토리얼을 참조하세요. 또한, Max-Cut 문제는 "QAOA를 위한 고급 기법" 튜토리얼에서도 예시로 사용됩니다. 해당 튜토리얼들에서는 QAOA 알고리즘을 사용하여 Max-Cut 문제를 풉니다.

그래프 -> 해밀토니안

이 튜토리얼은 1000개의 노드를 가진 무작위 그래프를 사용합니다.

문제의 크기를 시각화하기 어려울 수 있으므로, 아래에 100개의 노드를 가진 그래프를 살펴봐요. (1,000개의 노드를 직접 렌더링하면 너무 조밀하여 아무것도 볼 수 없습니다!) 실제로 사용하는 그래프는 이보다 열 배 더 큽니다.

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

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

1000개의 노드를 가진 그래프를 100개의 Qubit에 걸친 2체 Pauli 행렬 상관관계로 인코딩합니다. 그래프는 상관관계 행렬로 표현되며, 각 노드는 Pauli 문자열로 인코딩됩니다. Pauli 문자열의 기댓값의 부호가 해당 노드의 분할을 나타냅니다. 예를 들어, 노드 0은 Pauli 문자열 $\prod_0 = I_{19} \otimes ... I_2 \otimes X_1 \otimes X_0$으로 인코딩됩니다. 이 Pauli 문자열의 기댓값의 부호가 노드 0의 분할을 나타냅니다. $\prod$에 대한 Pauli 상관관계 인코딩 (PCE)을 다음과 같이 정의합니다:

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

여기서 $x_i$는 노드 $i$의 분할이고, $\langle \prod_i \rangle \coloneqq \langle \psi |\prod_i| \psi \rangle$는 양자 상태 $|\psi \rangle$에 대한 노드 $i$를 인코딩하는 Pauli 문자열의 기댓값입니다. 이제 PCE를 사용하여 그래프를 해밀토니안으로 인코딩해 보겠습니다. 노드를 $S_1$, $S_2$, $S_3$ 세 집합으로 나눕니다. 그런 다음, 각 집합의 노드를 각각 $X$, $Y$, $Z$ Pauli 문자열을 사용하여 인코딩합니다.

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
)

2단계: 양자 하드웨어 실행을 위한 문제 최적화

양자 Circuit

여기서 상태 $|\psi \rangle$는 $\mathbf{\theta}$로 매개변수화되며, 변분 접근 방식을 사용하여 이 매개변수 $\mathbf{\theta}$를 최적화합니다. 이 튜토리얼에서는 표현력과 구현의 용이성으로 인해 변분 알고리즘의 앤사츠(ansatz)로 efficient_su2를 사용합니다. 또한, 이 튜토리얼에서 나중에 소개될 완화된 손실 함수도 사용합니다. 그 결과, 더 적은 Qubit과 얕은 Circuit 깊이로 대규모 문제를 다룰 수 있습니다.

# 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)

손실 함수

손실 함수 $\mathcal{L}$으로, [1]에 설명된 Max-Cut 목적 함수의 완화된 형태를 사용합니다. 이는 $\mathcal{V}(\mathbf{x}) \coloneqq \sum_{(i, j) \in E} W_{i, j}(1-x_i x_j)$로 정의됩니다. 여기서 $W_{i, j}$는 간선 $(i, j)$의 가중치를 나타내고, $x_i$는 노드 $i$의 분할을 나타냅니다. 손실 함수 $\mathcal{L}$은 다음과 같이 정의됩니다:

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

여기서 Max-Cut 목적 함수는 노드를 인코딩하는 Pauli 문자열의 기댓값에 대한 매끄러운 쌍곡선 탄젠트(hyperbolic tangent)로 대체됩니다. 정규화 항 $\mathcal{L}^{(\text{reg})}$와 Qubit 수에 비례하는 재조정 인수 $\alpha$는 솔버의 성능을 향상시키기 위해 도입됩니다.

정규화 항은 다음과 같이 정의됩니다:

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

여기서 $\beta=1/2$, $\nu = |E|/2 + (m -1) /4$이며, $m$은 그래프의 노드 수입니다.

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

Step 3: Qiskit 프리미티브를 사용하여 실행

이 튜토리얼에서는 시연 목적으로 최적화 루프에 max_iter=50을 설정합니다. 반복 횟수를 늘리면 더 나은 결과를 기대할 수 있습니다.

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

Step 4: 결과를 후처리하여 원하는 고전적 형식으로 반환

노드의 파티션은 노드를 인코딩하는 Pauli 문자열의 기댓값 부호를 평가하여 결정됩니다.

# 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}

노드의 파티션을 이용하여 Max-Cut 문제의 컷 크기를 계산할 수 있습니다.

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

Cut size: 24682

학습이 완료되면 고전적 후처리 단계로 단일 비트 스왑 탐색을 한 번 수행하여 솔루션을 개선합니다. 이 과정에서 두 노드의 파티션을 교환하고 컷 크기를 평가합니다. 컷 크기가 개선되면 교환을 유지합니다. 이 과정을 에지로 연결된 모든 가능한 노드 쌍에 대해 반복합니다.

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]

참고문헌

[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.

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