We propose and evaluate a quantum-inspired algorithm for solving Quadratic Unconstrained Binary Optimization (QUBO) problems, which are mathematically equivalent to finding ground states of Ising spin-glass Hamiltonians. The algorithm employs Matrix Product States (MPS) to compactly represent large superpositions of spin configurations and utilizes a discrete driving schedule to guide the MPS toward the ground state. At each step, a driver Hamiltonian -- incorporating a transverse magnetic field -- is combined with the problem Hamiltonian to enable spin flips and facilitate quantum tunneling. The MPS is updated using the standard Density Matrix Renormalization Group (DMRG) method, which iteratively minimizes the system's energy via multiple sweeps across the spin chain. Despite its heuristic nature, the algorithm reliably identifies global minima, not merely near-optimal solutions, across diverse QUBO instances. We first demonstrate its effectiveness on intermediate-level Sudoku puzzles from publicly available sources, involving over $200$ Ising spins with long-range couplings dictated by constraint satisfaction. We then apply the algorithm to MaxCut problems from the Biq Mac library, successfully solving instances with up to $251$ nodes and $3,265$ edges. We discuss the advantages of this quantum-inspired approach, including its scalability, generalizability, and suitability for industrial-scale QUBO applications.


翻译:我们提出并评估了一种用于求解二次无约束二进制优化问题的量子启发式算法,该问题在数学上等价于寻找伊辛自旋玻璃哈密顿量的基态。该算法采用矩阵乘积态来紧凑地表示自旋构型的大规模叠加态,并利用离散驱动调度引导MPS趋向基态。在每一步中,驱动哈密顿量——包含横向磁场——与问题哈密顿量相结合,以实现自旋翻转并促进量子隧穿效应。MPS的更新采用标准的密度矩阵重整化群方法,该方法通过沿自旋链进行多次扫描迭代最小化系统能量。尽管该算法具有启发式特性,但在各类QUBO实例中均能可靠地识别全局最优解,而非仅获得近似最优解。我们首先在公开来源的中等难度数独谜题上验证其有效性,这些谜题涉及超过$200$个具有由约束满足条件决定的长程耦合的伊辛自旋。随后我们将算法应用于Biq Mac库中的最大割问题,成功求解了包含多达$251$个节点和$3,265$条边的实例。最后,我们讨论了这种量子启发式方法的优势,包括其可扩展性、泛化能力以及对工业级QUBO应用的适用性。

0
下载
关闭预览

相关内容

第26届SPIN研讨会旨在将对软件分析和软件模型自动化工具技术感兴趣的研究人员和实践者聚集在一起,以进行验证和确认。研讨会特别关注并发软件,但不排除对顺序软件的分析。提交的资料包括理论结果、新算法、工具开发和经验评估。官网链接:https://conf.researchr.org/track/spin-2019/spin-2019-papers
FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Deep Learning in Video Multi-Object Tracking: A Survey
Arxiv
58+阅读 · 2019年7月31日
VIP会员
相关资讯
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
相关基金
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员