通过绝热量子计算解决数字逻辑约束问题制造技术

可以将约束问题表示为数字电路，该数字电路包括至少一个门和至少一个受约束的输入、或至少一个受约束的输出、或者至少一个受约束的输入和至少一个受约束的输出的组合。可以为所述至少一个门中的每一者生成矩阵。可以为所述至少一个受约束的输入、所述至少一个受约束的输出、或者所述至少一个受约束的输入和至少一个受约束的输出的组合生成约束矩阵。可以生成包括用于所述至少一个门中的每一者的每一个矩阵与所述约束矩阵的组合的最终矩阵。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本专利技术要求2014年3月12日提交的名称为“Method for Solving Digital Logic Constraint Problems Via Adiabatic Quantum Computation”的美国临时申请No.61/952,049的优先权，该美国临时申请通过引用而全部并入本申请。附图说明图1示出了根据本专利技术的一实施方式的包括经典计算机和量子计算机的系统；图2示出了根据本专利技术的一实施方式的门类型的图表；图3a示出了根据本专利技术的一实施方式的处理流程图；图3b示出了根据本专利技术的一实施方式的处理流程图；图4示出了根据本专利技术的一实施方式的标准形式的加法器电路；图5示出了根据本专利技术的一实施方式的中间输出被编号的加法器电路；图6示出了根据本专利技术的一实施方式的门被编号的加法器电路；图7示出了根据本专利技术的一实施方式的作为表格的加法器电路；图8示出了根据本专利技术的一实施方式的用于G11的示例置换矩阵；图9示出了根据本专利技术的一实施方式的用于G11的示例门矩阵；图10示出了根据本专利技术的一实施方式的用于G11的最终矩阵计算；图11示出了根据本专利技术的一实施方式的用于整个电路的矩阵；图12示出了根据本专利技术的一实施方式的约束矩阵；图13示出了根据本专利技术的一实施方式的添加有约束的电路矩阵。具体实施方式许多实际的优化问题利用经典的计算机和算法解决起来在计算上可能是昂贵的。这些优化问题可能需要为一组变量求值，从而最小化或最大化某一值，或者满足一组约束。这些问题在本领域被称为NP难题。例如，调度问题、资源利用问题、和路由问题全部可以为这种NP难题的示例。这些约束的形式和所涉及的变量的属性可以不同，但是它们全部可以被表示为对比特作用的布尔函数(或布尔电路)。即使当这些问题被表示为适合于由经典计算机进行的解译的逻辑电路时，寻找丢失的信息也可能在计算上是昂贵的和/或在实践上是不可能的(例如其中仅仅已知输出且期望输入的单向函数)。本文所描述的系统和方法可以用来经由量子计算来解决涉及二进制变量和任意的布尔函数的约束问题或优化问题。该问题和任何约束可以被转换成可用作到量子计算机的输入的形式，从而量子计算机可以寻找解答。该形式可以为能量表示，并且量子计算机可以最小化该能量表示中的能量，以寻找解答。例如，输入可以为适合于由绝热量子计算机进行评估的哈密顿矩阵，从而哈密顿矩阵的最低能量状态表示该问题的解答。该问题可以被表示为数字逻辑电路以及一组约束。这些约束可以为定义值(例如用于该问题的已知的或所期望的输入或输出)，并且在一些实施方式中，这些约束可以为单比特约束。一个或多个输入、一个或多个输出、或一个或多个输入和一个或多个输出的组合可以被约束。可以将该电路转换到标准形式，可以向每一个电路路径分配量子比特(quantum bit，q-比特)，可以生成表示该电路的矩阵，可以应用这些约束以减小矩阵，可以经由量子计算机找到最低能量状态，以及可以鉴于初始问题解释结果状态。因此，通过应用本文所描述的系统和方法，可以表示为逻辑电路的任何问题都可以使用量子计算机来进行评估。一些实施方式可以包括经典计算机和相关的软件，其可以接受问题定义(例如逻辑电路和约束)，执行所需要的翻译以及解译结果。这种实施方式还可以包括可以执行能量最小化的量子计算机(例如绝缘量子计算机或其它的量子计算机)。图1示出了根据本专利技术的一实施方式的包括经典计算机20和量子计算机30的系统10。经典计算机20可以为能够使用比特执行算数运算和/或逻辑运算的任何一个或多个可编程的数字机。在一些实施方式中，经典计算机20可以包括一个或多个处理器22、存储器24、数据存储装置26和/或其它的公知的或新型的部件。这些部件可以物理连接或通过网络或无线链路连接。经典计算机20还可以包括可以指示上述的部件的操作的软件。在一些实施方式中，经典计算机20可以包括经由一个网络或多个网络彼此连接的多个经典计算机。网络可以为任意多个的完全或部分互连的经典计算机和/或量子计算机，其中经典计算机和/或量子计算机中的一些或全部能够相互通信。本领域技术人员应该理解的是，经典计算机和/或量子计算机之间的连接可以在一些情况下为有线的(例如经由以太网、同轴电缆、光纤或其它有线连接)，或者可以为无线的(例如经由Wi-Fi、WiMax或其它的无线连接)。经典计算机和/或量子计算机之间的连接可以使用任何协议，包括例如TCP的面向连接协议或例如UDP的无连接协议。至少两个经典计算机和/或量子计算机通过其可以交换数据的任何连接可以为网络的基础。量子计算机30可以为能够使用量子比特执行算数运算和/或逻辑运算的任何一个或多个可编程的量子机。在一些实施方式中，量子计算机30可以包括一个或多个量子处理器32、量子存储器34和/或其它的公知的或新型的部件。这些部件可以物理连接或通过网络或无线链路连接。量子计算机30还可以包括可以指示上述的部件的操作的软件。在一些实施方式中，量子计算机30可以包括经由一个网络或多个网络彼此连接的多个量子计算机。量子计算机30可以连接到经典计算机20，从而量子计算机30与经典计算机20可以交换数据。本文讨论的示例中所使用的量子计算机30为使用伊辛模型的绝热量子计算机，但是在一些实施方式中可以使用其它类型的量子计算机(例如使用二次无约束二进制优化(Quadratic Unconstrained Binary Optimization，QUBO)模型的量子计算机)。通过将表示为逻辑电路和一组有约束的输入和/或输出的问题转换成可由量子计算机所分析的形式，可以解决其中一些或全部的输入是未知的NP难题，例如其中仅仅输出是可得的单向函数。例如，除了以下参照图2至图13所讨论的示例，本文所描述的系统和方法还可以应用于解决与各种不同的系统相关联的问题。这种问题可以包括：寻找用于例如安全散列算法-1(secure hash algorithm，SHA)的加密散列函数的原像，其中该散列函数被定义为电路并且该散列函数的输出被约束；计算例如高级加密标准(advanced encryption standard，AES)的加密算法的纯文本，其中该算法被定义为电路并且约束包括密钥和密文的比特的子集；以及其它的计算昂贵的问题，例如旅行推销员问题，该旅行推销员问题可应用于包括制造和交付的各种问题。首先，可以将待解决的问题转换到如下表示：数字电路，以及一组应用到该电路的输入、输出或输入和输出二者的某组合的一位约束。由于可以将约束应用到输入、输出或输入和输出二者的某组合，因而本文所描述的系统和方法可以用来将普通的门逻辑转换成适合用在量子计算中的形式，以及用来执行搜索、反演或其它的一般约束满足问题。例如，为了在量子计算环境内模拟普通的数字逻辑，可以对输入进行规定(约束)，并且可以求出输出。可替选地，为了搜索满足一组输出的一组输入，可以对输出进行规定(约束)，并且可以求出输入。许多用例可以规定(约束)一些输入和一些输出二者。以下的示例使用两位全加器作为在考虑之中的数字电路并且规定第一输入为2且规定输出为5，以及期望发现第二输入应当为3。这是一个简化的示例来说明所公开的问题解决进程，并且本领域技术人员本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种格式化用于量子处理器的输入的约束问题并解决所述约束问题的方法，所述方法包括：利用经典处理器、量子处理器、或所述经典处理器和所述量子处理器的组合将所述约束问题表示为数字电路，所述数字电路包括至少一个门和至少一个受约束的输入、至少一个受约束的输出、或者至少一个受约束的输入和至少一个受约束的输出的组合；利用所述经典处理器、所述量子处理器、或所述经典处理器和所述量子处理器的所述组合为所述至少一个门中的每一者生成矩阵；利用所述经典处理器、所述量子处理器、或所述经典处理器和所述量子处理器的所述组合为所述至少一个受约束的输入、所述至少一个受约束的输出、或者所述至少一个受约束的输入和至少一个受约束的输出的组合生成约束矩阵；利用所述经典处理器、所述量子处理器、或所述经典处理器和所述量子处理器的所述组合生成包括用于所述至少一个门中的每一者的每一个矩阵与所述约束矩阵的组合的最终矩阵；利用所述经典处理器、所述量子处理器、或所述经典处理器和所述量子处理器的所述组合将所述最终矩阵转化成能够由所述量子处理器使用的能量表示；利用所述量子处理器最小化所述能量表示的能量，以生成量子比特(q‑比特)输出；以及利用所述经典处理器、所述量子处理器、或所述经典处理器和所述量子处理器的所述组合基于所述量子比特输出确定所述约束问题的结果。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.03.12 US 61/952,0491.一种格式化用于量子处理器的输入的约束问题并解决所述约束问题的方法，所述方法包括：利用经典处理器、量子处理器、或所述经典处理器和所述量子处理器的组合将所述约束问题表示为数字电路，所述数字电路包括至少一个门和至少一个受约束的输入、至少一个受约束的输出、或者至少一个受约束的输入和至少一个受约束的输出的组合；利用所述经典处理器、所述量子处理器、或所述经典处理器和所述量子处理器的所述组合为所述至少一个门中的每一者生成矩阵；利用所述经典处理器、所述量子处理器、或所述经典处理器和所述量子处理器的所述组合为所述至少一个受约束的输入、所述至少一个受约束的输出、或者所述至少一个受约束的输入和至少一个受约束的输出的组合生成约束矩阵；利用所述经典处理器、所述量子处理器、或所述经典处理器和所述量子处理器的所述组合生成包括用于所述至少一个门中的每一者的每一个矩阵与所述约束矩阵的组合的最终矩阵；利用所述经典处理器、所述量子处理器、或所述经典处理器和所述量子处理器的所述组合将所述最终矩阵转化成能够由所述量子处理器使用的能量表示；利用所述量子处理器最小化所述能量表示的能量，以生成量子比特(q-比特)输出；以及利用所述经典处理器、所述量子处理器、或所述经典处理器和所述量子处理器的所述组合基于所述量子比特输出确定所述约束问题的结果。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述转化包括将所述最终矩阵解释为哈密顿能量矩阵。3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述哈密顿能量矩阵包括自旋玻璃哈密顿能量矩阵。4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述哈密顿能量矩阵将所述至少一个受约束的输入中的每一者、所述至少一个受约束的输出中的每一者、或者所述至少一个受约束的输入和至少一个受约束的输出的组合中的每一者表示为所述哈密顿能量矩阵中的行和列项目。5.根据权利要求2所述的方法，还包括利用所述经典处理器、所述量子处理器、或所述经典处理器和所述量子处理器的所述组合将所述哈密顿能量矩阵转换成用于用来最小化所述哈密顿能量矩阵的所述能量的所述量子计算机的适当的形式。6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述表示还包括向所述数字电路内的多个中间输出中的每一者分配标记。7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述表示还包括向所述至少一个门中的每一者分配标记。8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述数字电路包括选自一组通用门的至少一个双输入逻辑门。9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述一组通用门包括8个双输入门，所述8个双输入门由其中在所述输入中的一者或两者上具有可选的“非”功能的“与”和“或”的所有双输入组合所形成。10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述数字电路包括至少一个子电路，当满足针对输入的约束并且所述子电路的输出被约束为真时，所述子电路评估为真。11.根据权利要求1所述的方法，还包括，利用所述经典处理器、所述量子处理器、或所述经典处理器和所述量子处理器的所述组合将所述数字电路转换成表格，所述表格包括关于所述至少一个门和所述至少一个受约束的输入、所述至少一个受约束的输出、或者所述至少一个受约束的输入和至少一个受约束的输出的组合的数据。12.根据权利要求1所述的方法，其中，为所述至少一个门中的每一者生成矩阵包括：计算用于所述门的置换矩阵；基于所述门的门类型选择门矩阵；以及将所述置换矩阵的转置、所述门矩阵以及所述置换矩阵相乘以形成用于所述门的所述矩阵。13.根据权利要求1所述的方法，其中，生成所述最终矩阵包括：将用于所述至少一个门中的每一者的每一个矩阵加在一起，以创建电路矩阵；以及将所述约束矩阵加到所述电路矩阵。14.根据权利要求1所述的方法，其中，所述量子处理器使用绝热量子计算。15.根据权利要求1所述的方法，其中，所述数字电路表示加密函数、加密算法或旅行推销员问题。16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述加密函数为单向函数。17.一种用于格式化用于量子计算机的输入的约束问题并解决所述约束问题的系统，所述系统包括：经典计算机，所述经典计算机被配置成：将所述约束问题表示为数字电路，所述数字电路包括至少一个门和至少一个受约束的输入、至少一个受约束的输出、或者至少一个受约束的输入和至少一个受约束的输出的组合；为所述至少一个门中的每一者生成矩阵；为所述至少一个受约束的输入、所述至少一个受约束的输出、或者所述至少一个受约束的输入和至少一个受约束的输出的组合生成约束矩阵；生成包括用于所述至少一个门中的每一者的每一个矩阵与所述约束矩阵的组合的最终矩阵；以及将所述最终矩阵转化成能够由所述量子计算机使用的能量表示；以及所述量子计算机，所述量子计算机被配置成：最小化所述能量表示的能量，以生成量子比特(q-比特)输出；其中所述经典计算机还被配置成，基于所述量子比特输出确定所述约束问题的结果。18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述转化包括将所述最终矩阵解释为哈密顿能量矩阵。19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述哈密顿能量矩阵包括自旋玻璃哈密顿能量矩阵。20.根据权利要求18所述的系统，其中，所述哈密顿能量矩阵将所述至少一个受约束的输入中的每一者、所述至少一个受约束的输出中的每一者、或者所述至少一个受约束的输入和至少一个受约...

【专利技术属性】
技术研发人员：杰里米·布鲁斯特勒，马克·塔克，
申请(专利权)人：时空防御系统有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US