量子退火算法入门(7):QUBO中的三次多项式怎么转换?

薛定谔了么
2024-11-13 18:58:30
本帖最后由 薛定谔了么 于 2024-11-14 10:28 编辑

前言

本文还是大部分截图来自于:《最適化問題とWildqatを用いた量子アニーリング計算入門》 https://booth.pm/ja/items/1415833
 
终于有人问到怎么将QUBO中的三次多项式转换为二次多项式了。直接以一个例题开始讲解。中间会用到之前文章里的知识,大家最好读了该系列前两篇之后,再阅读此文。

一、三次多项式的例题

 
 
 
下面讲解如何导出对应的QUBO矩阵。
 
Step1. 变量替换。
 
首先,把两个变量的乘积用一个变量替代,这里用x 4 替代x 2 x 3 
 
因为我们使用了上面的变量替换,所以我们要满足以下约束:
 
Step2. 加入约束项。
 
上面的约束对应的约束项H ′ 
 
 如下👇,由x 2 , x 3 , x 4能构成的二次多项式构成。
 
这里补充一句,在本系列第二篇中,直接给大家列出了常见约束的H表达式,这次我们需要手动推导。大家从头到尾,要谨记一句话:
 
【我们最终的目标是令目标H 最小化的同时,满足约束。所以,约束H ′ 代入令目标H HH最小化的变量x 2 , x 3 , x 4 具体值时,也是最小化的。】
 
于是,接下来所有的变换都是为了寻找H ′的适当的系数(a, b, c, d, e, f)。本系列第二篇中每个常见约束的求解,都经历了寻找对应系数的过程。
 
Step3. 寻找合适的约束项系数。
 
我们可以这么想,通过合适的系数(a, b, c, d, e, f),使得x 2 , x 3 , x 4 满足式(2)时,令H ′ = 0 ;不满足式(2)时,H ′ > 0 。那就这么约定了。
 
这时,上表中的x 2 , x 3 , x 4  按行代入式(4)后,对应的只包含系数(a, b, c, d, e, f)的等式如下:
 
当x 2 x 3 ≠ x 4 时,如我们约定好的,令H ′ > 0,整理入下表:
 

Step4. 获得确定系数的约束项H ′ 

把已经确定的(a, b, c, d, e, f)和( k 1 , k 2 , k 3 , k 4 ) 代入式(4)就行了。得到最终的H ′如下:


Step5. 获得最终的二次多项式H 。

这里就不必多说了,别忘了还有个 λ  系数,需要手动指定。

我们把 λ  =1,代入上式,得到下面最终的QUBO矩阵。

二、Python实现

1.引入库

import wildqat as wq
import numpy as np

H_A = np.array([
	[1,0,0,-1],
	[0,0,0,0],
	[0,0,0,0],
	[0,0,0,0]])
H_A = np.array([
	[0,0,0,0],
	[0,0,1,-2],
	[0,0,0,-2],
	[0,0,0,3]])
k, l = 1, 1

a = wq.opt()
a.qubo = k * H_A + l * H_B

for i in range(5):
	print("x = {}".format(a.sa()))
	print("H = {}".format(a.E(-1)))
 
结果打印如下,有兴趣的可以看看,取值是否满足约束。
 

总结

还是挺麻烦的,不过不难理解,是可以写程序自动化的,这也是为什么我们需要pyqubo这中自动化转换QUBO的程序。
————————————————
本文转载自CSDN博主:gang_unerry
版权声明:本文为博主原创文章,遵循 CC 4.0 BY-SA 版权协议,转载请附上原文出处链接和本声明。
原文链接:https://blog.csdn.net/gangshen1993/article/details/130137241
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