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Pauli Correlation Encoding per ridurre i requisiti del Maxcut

Stima dell'utilizzo: 30 minuti su un processore Eagle r3 (NOTA: Questa è solo una stima. Il vostro tempo di esecuzione potrebbe variare.)

Contesto​

Questo tutorial presenta il Pauli Correlation Encoding (PCE) [1], un approccio progettato per codificare i problemi di ottimizzazione in qubit con maggiore efficienza per il calcolo quantistico. Il PCE mappa le variabili classiche nei problemi di ottimizzazione in correlazioni multi-corpo di matrici di Pauli, risultando in una compressione polinomiale dei requisiti di spazio del problema. Impiegando il PCE, il numero di qubit necessari per la codifica viene ridotto, rendendolo particolarmente vantaggioso per i dispositivi quantistici a breve termine con risorse di qubit limitate. Inoltre, è dimostrato analiticamente che il PCE mitiga intrinsecamente i barren plateau, offrendo una resilienza super-polinomiale contro questo fenomeno. Questa caratteristica integrata consente prestazioni senza precedenti nei solutori di ottimizzazione quantistica.

Panoramica​

L'approccio PCE consiste di tre fasi principali, come illustrato nella Figura 1 da [1] qui sotto:

  1. Codificare il problema di ottimizzazione in uno spazio di correlazione di Pauli.
  2. Risolvere il problema utilizzando un solutore di ottimizzazione quantistico-classico.
  3. Decodificare la soluzione nello spazio di ottimizzazione originale. L'approccio PCE è adattabile a qualsiasi solutore di ottimizzazione quantistica capace di elaborare matrici di correlazione di Pauli. pce-overview.png Nella Figura 1 da [1], il problema Max-Cut viene utilizzato come esempio per illustrare l'approccio PCE. Il problema Max-Cut con m=9m=9 nodi è codificato in uno spazio di correlazione di Pauli, rappresentando il problema di ottimizzazione come una matrice di correlazione, specificatamente, correlazioni di matrici di Pauli a 2 corpi attraverso n=3n=3 qubit (Q1,Q2,Q3)(Q_1, Q_2, Q_3). I colori dei nodi indicano la stringa di Pauli utilizzata per ciascun nodo codificato. Ad esempio, il nodo 1, che corrisponde alla variabile binaria x1x_1, è codificato dal valore di aspettazione di Z1⊗Z2⊗I3Z_1 \otimes Z_2 \otimes I_3, mentre x8x_8 è codificato da I1⊗Y2⊗Y3I_1 \otimes Y_2 \otimes Y_3. Questo corrisponde a comprimere le mm variabili del problema in n=O(m1/2) n = O(m^{1/2}) qubit. Più in generale, le correlazioni a kk corpi consentono compressioni polinomiali di ordine kk. L'insieme di Pauli scelto comprende tre sottoinsiemi di stringhe di Pauli mutuamente commutanti, permettendo di stimare sperimentalmente tutte le mm correlazioni con solo tre impostazioni di misurazione.

Viene costruita una funzione di perdita L\mathcal{L} dei valori di aspettazione di Pauli che imita la funzione obiettivo originale del Max-Cut. La funzione di perdita viene quindi ottimizzata utilizzando un solutore di ottimizzazione quantistico-classico, come il Variational Quantum Eigensolver (VQE).

Una volta completata l'ottimizzazione, la soluzione viene decodificata nello spazio di ottimizzazione originale, producendo la soluzione ottimale del Max-Cut.

Requisiti​

Prima di iniziare questo tutorial, assicuratevi di avere installato quanto segue:

  • Qiskit SDK v1.0 o successivo, con supporto per la visualizzazione
  • Qiskit Runtime v0.22 o successivo (pip install qiskit-ibm-runtime)

Configurazione​

# 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

Passo 1: Mappare gli input classici in un problema quantistico​

Problema Max-Cut​

Il problema Max-Cut è un problema di ottimizzazione combinatoria definito su un grafo G=(V,E)G = (V, E), dove VV è l'insieme dei vertici ed EE è l'insieme degli archi. L'obiettivo è partizionare i vertici in due insiemi, SS e V∖SV \setminus S, in modo tale che il numero di archi tra i due insiemi sia massimizzato. Per la descrizione dettagliata del problema Max-Cut, si prega di fare riferimento al tutorial "Quantum approximate optimization algorithm". Inoltre, il problema Max-Cut viene utilizzato come esempio nel tutorial "Advanced Techniques for QAOA". In quei tutorial, l'algoritmo QAOA viene utilizzato per risolvere il problema Max-Cut.

Grafo -> Hamiltoniana​

Questo tutorial utilizza un grafo casuale con 1000 nodi.

La dimensione del problema potrebbe essere difficile da visualizzare, quindi qui sotto è mostrato un grafo con 100 nodi. (Renderizzare direttamente un grafo con 1.000 nodi lo renderebbe troppo denso per vedere qualcosa!) Il grafo con cui stiamo lavorando è dieci volte più grande.

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

Codifichiamo il grafo con 1000 nodi in correlazioni di matrici di Pauli a 2 corpi attraverso 100 qubit. Il grafo è rappresentato come una matrice di correlazione, dove ogni nodo è codificato da una stringa di Pauli. Il segno del valore di aspettazione della stringa di Pauli indica la partizione del nodo. Ad esempio, il nodo 0 è codificato da una stringa di Pauli, ∏0=I19⊗...I2⊗X1⊗X0\prod_0 = I_{19} \otimes ... I_2 \otimes X_1 \otimes X_0. Il segno del valore di aspettazione di questa stringa di Pauli indica la partizione del nodo 0. Definiamo una codifica di correlazione di Pauli (PCE) relativa a ∏\prod come

xi≔sgn(⟨∏i⟩)x_i \coloneqq \textit{sgn}(\langle\prod_i \rangle)

dove xix_i è la partizione del nodo ii e ⟨∏i⟩≔⟨ψ∣∏i∣ψ⟩\langle \prod_i \rangle \coloneqq \langle \psi |\prod_i| \psi \rangle è il valore di aspettazione della stringa di Pauli che codifica il nodo ii su uno stato quantistico ∣ψ⟩|\psi \rangle. Ora, codifichiamo il grafo in un'Hamiltoniana utilizzando il PCE. Dividiamo i nodi in tre insiemi: S1S_1, S2S_2 e S3S_3. Poi, codifichiamo i nodi in ciascun insieme utilizzando le stringhe di Pauli con XX, YY e ZZ, rispettivamente.

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
)

Passo 2: Ottimizzare il problema per l'esecuzione sull'hardware quantistico​

Circuito quantistico​

Qui, lo stato ∣ψ⟩|\psi \rangle è parametrizzato con θ\mathbf{\theta}, e ottimizziamo questi parametri θ\mathbf{\theta} utilizzando un approccio variazionale. Questo tutorial impiega l'ansatz efficient_su2 per il nostro algoritmo variazionale grazie alle sue capacità espressive e facilità di implementazione. Utilizziamo anche la funzione di perdita rilassata, che verrà introdotta più avanti in questo tutorial. Di conseguenza, possiamo affrontare problemi su larga scala con meno qubit e profondità di circuito più ridotte.

# 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)

Funzione di perdita​

Per la funzione di perdita L\mathcal{L}, utilizziamo un rilassamento della funzione obiettivo Max-Cut come descritto in [1], che è definita come V(x)≔∑(i,j)∈EWi,j(1−xixj)\mathcal{V}(\mathbf{x}) \coloneqq \sum_{(i, j) \in E} W_{i, j}(1-x_i x_j). Qui, Wi,jW_{i, j} denota il peso dell'arco (i,j)(i, j), e xix_i rappresenta la partizione del nodo ii. La funzione di perdita L\mathcal{L} è data da:

L≔∑(i,j)∈EWi,jtanh(α⟨∏i⟩)tanh(α⟨∏j⟩)+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})}

dove la funzione obiettivo Max-Cut è sostituita dalle tangenti iperboliche lisce dei valori di aspettazione delle stringhe di Pauli che codificano i nodi. Il termine di regolarizzazione L(reg)\mathcal{L}^{(\text{reg})} e il fattore di riscalamento α\alpha, proporzionale al numero di qubit, sono introdotti per migliorare le prestazioni del solutore.

Il termine di regolarizzazione è definito come:

L(reg)\mathcal{L}^{(\text{reg})} è definito come L(reg)≔βν[1m∑i∈Vtanh(α⟨∏i⟩)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

dove β=1/2\beta=1/2, ν=∣E∣/2+(m−1)/4\nu = |E|/2 + (m -1) /4, e mm è il numero di nodi nel grafo.

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: Eseguire utilizzando le primitive Qiskit​

In questo tutorial, impostiamo max_iter=50 per il ciclo di ottimizzazione a scopo dimostrativo. Se aumentiamo il numero di iterazioni, possiamo aspettarci risultati migliori.

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: Post-processare e restituire il risultato nel formato classico desiderato​

Le partizioni dei nodi sono determinate valutando il segno dei valori di aspettazione delle stringhe di Pauli che codificano i nodi.

# 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}

Possiamo calcolare la dimensione del taglio del problema Max-Cut utilizzando le partizioni dei nodi.

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

Una volta completato l'addestramento, eseguiamo un round di ricerca con scambio di singoli bit per migliorare la soluzione come fase di post-processamento classica. In questo processo, scambiamo le partizioni di due nodi e valutiamo la dimensione del taglio. Se la dimensione del taglio è migliorata, manteniamo lo scambio. Ripetiamo questo processo per tutte le possibili coppie di nodi connessi da un arco.

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]

Riferimenti​

[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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