Codificación de Correlación de Pauli para reducir los requisitos de Maxcut

Estimación de uso: 30 minutos en un procesador Eagle r3 (NOTA: Esto es solo una estimación. Su tiempo de ejecución puede variar.)

Contexto

Este tutorial presenta la Codificación de Correlación de Pauli (PCE, por sus siglas en inglés) [1], un enfoque diseñado para codificar problemas de optimización en qubits con mayor eficiencia para la computación cuántica. La PCE mapea variables clásicas en problemas de optimización a correlaciones de matrices de Pauli de múltiples cuerpos, lo que resulta en una compresión polinomial de los requisitos de espacio del problema. Al emplear PCE, se reduce el número de qubits necesarios para la codificación, lo que la hace particularmente ventajosa para dispositivos cuánticos de corto plazo con recursos de qubits limitados. Además, se demuestra analíticamente que la PCE mitiga inherentemente las mesetas estériles, ofreciendo una resiliencia superpolinomial contra este fenómeno. Esta característica incorporada permite un rendimiento sin precedentes en solucionadores de optimización cuántica.

Descripción general

El enfoque PCE consta de tres pasos principales, como se ilustra en la Figura 1 de [1] a continuación:

1. Codificación del problema de optimización en un espacio de correlación de Pauli.
2. Resolución del problema utilizando un solucionador de optimización cuántico-clásico.
3. Decodificación de la solución de vuelta al espacio de optimización original. El enfoque PCE es adaptable a cualquier solucionador de optimización cuántica capaz de procesar matrices de correlación de Pauli. En la Figura 1 de [1], se utiliza el problema Max-Cut como ejemplo para ilustrar el enfoque PCE. El problema Max-Cut con $m=9$ nodos se codifica en un espacio de correlación de Pauli, representando el problema de optimización como una matriz de correlación, específicamente, correlaciones de matrices de Pauli de 2 cuerpos a través de $n=3$ qubits $(Q_1, Q_2, Q_3)$. Los colores de los nodos indican la cadena de Pauli utilizada para cada nodo codificado. Por ejemplo, el nodo 1, que corresponde a la variable binaria $x_1$, se codifica mediante el valor esperado de $Z_1 \otimes Z_2 \otimes I_3$, mientras que $x_8$ se codifica mediante $I_1 \otimes Y_2 \otimes Y_3$. Esto corresponde a comprimir las $m$ variables del problema en $n = O(m^{1/2})$ qubits. De manera más general, las correlaciones de $k$ cuerpos permiten compresiones polinomiales de orden $k$. El conjunto de Pauli elegido comprende tres subconjuntos de cadenas de Pauli mutuamente conmutativas, lo que permite estimar experimentalmente todas las $m$ correlaciones con solo tres configuraciones de medición.

Se construye una función de pérdida $\mathcal{L}$ de valores esperados de Pauli que imita la función objetivo original de Max-Cut. La función de pérdida se optimiza luego utilizando un solucionador de optimización cuántico-clásico, como el Eigensolver Cuántico Variacional (VQE).

Una vez completada la optimización, la solución se decodifica de vuelta al espacio de optimización original, proporcionando la solución óptima de Max-Cut.

Requisitos

Antes de comenzar este tutorial, asegúrese de tener instalado lo siguiente:

• Qiskit SDK v1.0 o posterior, con soporte de visualización
• Qiskit Runtime v0.22 o posterior (pip install qiskit-ibm-runtime)

Configuración

# 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

Paso 1: Mapear entradas clásicas a un problema cuántico

Problema Max-Cut

El problema Max-Cut es un problema de optimización combinatoria que se define sobre un grafo $G = (V, E)$, donde $V$ es el conjunto de vértices y $E$ es el conjunto de aristas. El objetivo es particionar los vértices en dos conjuntos, $S$ y $V \setminus S$, de tal manera que se maximice el número de aristas entre los dos conjuntos. Para una descripción detallada del problema Max-Cut, consulte el tutorial "Quantum approximate optimization algorithm". Además, el problema Max-Cut se utiliza como ejemplo en el tutorial "Advanced Techniques for QAOA". En esos tutoriales, se utiliza el algoritmo QAOA para resolver el problema Max-Cut.

Grafo -> Hamiltoniano

Este tutorial utiliza un grafo aleatorio con 1000 nodos.

El tamaño del problema puede ser difícil de visualizar, por lo que a continuación se muestra un grafo con 100 nodos. (¡Renderizar un grafo con 1,000 nodos directamente lo haría demasiado denso para ver algo!) El grafo con el que estamos trabajando es diez veces más grande.

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

Codificamos el grafo con 1000 nodos en correlaciones de matrices de Pauli de 2 cuerpos a través de 100 qubits. El grafo se representa como una matriz de correlación, donde cada nodo se codifica mediante una cadena de Pauli. El signo del valor esperado de la cadena de Pauli indica la partición del nodo. Por ejemplo, el nodo 0 se codifica mediante una cadena de Pauli, $\prod_0 = I_{19} \otimes ... I_2 \otimes X_1 \otimes X_0$. El signo del valor esperado de esta cadena de Pauli indica la partición del nodo 0. Definimos una Codificación de Correlación de Pauli (PCE) relativa a $\prod$ como

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

donde $x_i$ es la partición del nodo $i$ y $\langle \prod_i \rangle \coloneqq \langle \psi |\prod_i| \psi \rangle$ es el valor esperado de la cadena de Pauli que codifica el nodo $i$ sobre un estado cuántico $|\psi \rangle$. Ahora, codifiquemos el grafo en un Hamiltoniano usando PCE. Dividimos los nodos en tres conjuntos: $S_1$, $S_2$ y $S_3$. Luego, codificamos los nodos en cada conjunto usando las cadenas de Pauli con $X$, $Y$ y $Z$, respectivamente.

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
)

Paso 2: Optimizar el problema para la ejecución en hardware cuántico

Circuito cuántico

Aquí, el estado $|\psi \rangle$ se parametriza con $\mathbf{\theta}$, y optimizamos estos parámetros $\mathbf{\theta}$ utilizando un enfoque variacional. Este tutorial emplea el ansatz efficient_su2 para nuestro algoritmo variacional debido a sus capacidades expresivas y facilidad de implementación. También utilizamos la función de pérdida relajada, que se presentará más adelante en este tutorial. Como resultado, podemos abordar problemas a gran escala con menos qubits y profundidades de circuito más reducidas.

# 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)

Función de pérdida

Para la función de pérdida $\mathcal{L}$, utilizamos una relajación de la función objetivo de Max-Cut como se describe en [1], que se define como $\mathcal{V}(\mathbf{x}) \coloneqq \sum_{(i, j) \in E} W_{i, j}(1-x_i x_j)$. Aquí, $W_{i, j}$ denota el peso de la arista $(i, j)$, y $x_i$ representa la partición del nodo $i$. La función de pérdida $\mathcal{L}$ está dada por:

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

donde la función objetivo de Max-Cut se reemplaza por las tangentes hiperbólicas suaves de los valores esperados de las cadenas de Pauli que codifican los nodos. El término de regularización $\mathcal{L}^{(\text{reg})}$ y el factor de reescalamiento $\alpha$, proporcional al número de qubits, se introducen para mejorar el rendimiento del solucionador.

El término de regularización se define como:

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

donde $\beta=1/2$, $\nu = |E|/2 + (m -1) /4$, y $m$ es el número de nodos en el 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

Paso 3: Ejecutar utilizando primitivas de Qiskit

En este tutorial, establecemos max_iter=50 para el bucle de optimización con fines de demostración. Si aumentamos el número de iteraciones, podemos esperar mejores resultados.

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

Paso 4: Postprocesar y devolver el resultado en el formato clásico deseado

Las particiones de los nodos se determinan evaluando el signo de los valores esperados de las cadenas de Pauli que codifican los nodos.

# 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}

Podemos calcular el tamaño del corte del problema Max-Cut utilizando las particiones de los nodos.

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

Cut size: 24682

Una vez que el entrenamiento se ha completado, realizamos una ronda de búsqueda de intercambio de un solo bit para mejorar la solución como un paso de postprocesamiento clásico. En este proceso, intercambiamos las particiones de dos nodos y evaluamos el tamaño del corte. Si el tamaño del corte mejora, mantenemos el intercambio. Repetimos este proceso para todos los pares posibles de nodos conectados por una arista.

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]

Referencias

[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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