用于交换系统中的优化的量子计算技术方案

本公开的实施例涉及用于交换系统中的优化的量子计算。一种用于改进交换系统的方法、系统和装置。在一个方面，方法包括：接收表示交换问题的数据；从接收到的数据确定交换问题的整数编程公式；将交换问题的整数编程公式映射到交换问题的二次无约束二进制优化(QUBO)公式；从量子计算资源获得表示对交换问题的解决方案的数据；以及基于表示对交换问题的解决方案的所获得的数据来发起动作。

Quantum computation for optimization in Switched Systems

【技术实现步骤摘要】
用于交换系统中的优化的量子计算相关申请的交叉引用本申请要求于2018年12月3日提交的美国专利申请号62/774,479“使用量子计算的改进的交换系统”的申请日的权益，并且其整体通过引用并入于此。
本专利技术涉及量子计算。
技术介绍
交换系统实现交换计划，其中交易中的参与方将资源或服务直接交换为其他资源或服务，而无需使用诸如金钱之类的交换介质。一个示例交换系统是实现肾脏移植交换计划的系统。肾脏移植允许患有肾脏疾病的患者用已故的或优选是活体的捐献者的健康肾脏替代其无功能的肾脏。在许多国家，器官贩卖是被禁止的和非法的，因此，活体捐献者通常与患者密切相关。但是，即使患者能够找到愿意捐出其肾脏的捐献者，通常情况下，肾脏与患者的身体也是不相容的。如果移植了不相容的肾脏，患者的身体可能会排斥器官，从而导致移植的失败。在移植之前，可以以一定的置信度对捐献者肾脏和患者的相容性进行测试和确认。然后，如果发现患者-捐献者对是不相容的或者不能很好地匹配，则该对可以加入肾脏交换计划，以将捐献者肾脏与另一潜在的患者-捐献者对互换。因此，通过在患者-捐献者对的群组之间互换肾脏，肾脏交换计划使得肾脏移植中常见的不相容性问题能够被克服。肾脏交换的概念最初由费利克斯·拉帕波特(FelixRapaport)于1986年提出，并且第一个肾脏交换计划于1991年在韩国实施。从那时起，这个思想就在世界各地逐渐被采纳和执行。如今，许多相容的患者-捐献者对都加入了肾脏交换计划，以寻找更匹配的肾脏。在2015年，执行了最大的所记录的肾脏交换，其在三个月的时间内涉及34对患者-捐献者对和26家不同的医院。由于肾脏交换的日益普及，肾脏交换计划的规模不断增长。如本说明书中所述，在肾脏交换系统中分配肾脏的互换是一个组合优化问题，并且其在强制执行某些限制时是NP完全的。因此，需要高效的算法来解决肾脏交换优化问题。由于肾脏交换问题的NP完全性，没有在经典计算机上解决该问题的高效算法。
技术实现思路
本说明书描述了用于使用量子计算资源在交换系统中分配项目的方法和系统。利用量子力学现象来执行计算的量子计算资源可以被用来高效地解决NP完全问题。近年来，由于量子退火计算机的变得商业可用以及诸如超导量子计算之类的技术的实验性突破，量子计算已变得越来越流行。量子计算领域最初在二十世纪80年代被引入，特别是由理查德·费曼(RichardFeynman)、大卫·德意志(DavidDeutsch)和保罗·贝尼奥夫(PaulBenioff)等物理学家引入。与使用离散和实向量空间中的位串进行的经典计算相反，量子计算使用量子粒子作为计算资源，其可以被描述为允许复杂幅度(希尔伯特空间)的连续向量空间中的状态。量子计算的优势来自诸如叠加和纠缠之类的量子力学现象，它们允许一个量子系统同时处于不同的状态，并且在多个量子系统内保持相关以及与其他量子系统保持相关。量子计算领域在1994年受到特别关注，当时彼得·索尔(PeterShor)提出了第一个量子算法——一种用于整数因式分解的算法——与对应的最佳经典算法相比，该算法证明了指数级加速。这是一个重要的发现，因为诸如RSA密码系统之类的现代密码术的成功是由于难以对大的复合整数进行因式分解。该提议以及后来发现的许多其他高效的量子算法已经证明了量子计算机的潜力。总体上，可以以一种方法来实现本说明书中描述的主题的一个创新方面，该方法包括：接收表示交换问题的数据；从接收到的数据确定交换问题的整数编程公式；将交换问题的整数编程公式映射到交换问题的二次无约束二进制优化(QUBO)公式；从量子计算资源获得表示对交换问题的解决方案的数据；以及基于表示对交换问题的解决方案的所获得的数据来发起动作。该方面的其他实现包括对应的经典、量子或经典-量子计算机系统、装置和被记录在一个或多个计算机存储设备上的计算机程序，每个都被配置为执行方法的各动作。一个或多个经典计算机和量子计算机的系统可以被配置为借助于在系统上安装有软件、固件、硬件或其组合来执行特定的操作或动作，该软件、固件、硬件或其组合在操作中使或一起使系统执行动作。一个或多个计算机程序可以被配置为借助于包括指令来执行特定的操作或动作，该指令在由数据处理装置执行时使装置执行动作。前述实现和其他实现可以各自可选地包括单独的或组合的以下特征中的一个或多个特征。在一些实现中，要被解决的交换问题的整数编程公式包括：要被最大化的目标函数；以及包括等式约束和不等式约束的一个或多个约束。在一些实现中，将交换问题的整数编程公式映射到交换问题的QUBO公式包括：将要被最大化的目标函数映射到要被最小化的QUBO目标函数；以及将惩罚项添加到要被最小化的QUBO目标函数，其中惩罚项基于一个或多个约束而被确定。在一些实现中，方法还包括确定惩罚项，包括：对于每个等式约束：当约束被满足时，将约束表示为等于零的等式，并且当约束不被满足时，将约束表示为等于严格正值的等式；将等式乘以权重以生成对应的部分惩罚项；以及将所生成的部分惩罚项包括在惩罚项中。在一些实现中，方法还包括：对于每个不等式约束：将不等式约束公式化为包括松弛变量的等式约束，其中每个松弛变量是二进制变量；使用包括松弛变量的等式约束来确定惩罚项。在一些实现中，当量子计算资源包括量子退火计算机时，可选地，其中使用量子绝热计算来计算对交换问题的解决方案。在一些实现中，当量子计算资源包括基于门的通用量子计算机时，可选地，其中使用量子近似优化算法来计算对交换问题的解决方案。在一些实现中，方法还包括：执行对表示从量子计算资源获得的、对交换问题的解决方案的数据的经典的后处理。在一些实现中，基于表示对交换问题的解决方案的所获得的数据来发起动作包括：基于对交换问题的解决方案来交换资源或服务。在一些实现中，接收到的数据包括表示以下的数据：交换问题参与方，其中每个参与方在不使用交换介质的情况下提供资源或服务以交换其他资源或服务；对交换问题参与方之间的交换的约束；以及要被解决的交换问题。在一些实现中，交换问题包括肾脏交换问题。在一些实现中，交换问题参与方包括不相容的捐献者-接受者对，其中每个不相容的捐献者-接受者对包括：(i)愿意捐献肾脏的捐献者，以及(ii)需要与捐献者提供的捐献者肾脏类型不同的捐献者肾脏的患者。在一些实现中，对交换问题参与方之间的交换的约束包括：第一约束，该第一约束确保没有肾脏被捐献超过一次；第二约束，第二约束确保：仅当不相容的捐献者-接受者对中的患者接收来自另一捐献者的肾脏时，不相容的捐献者-接受者对中的捐献者才捐献肾脏。在一些实现中，要被解决的肾脏交换问题包括：将肾脏交换问题建模为顶点和有向加权边的图，其中顶点表示不相容的捐献者-接受者对，边表示相容的捐献者-接受者对；并且边权重表示相容的捐献者-接受者对的医学益处；以及确定增加相关联的肾脏移植的整体医学益处的、捐献者-接受者对的一个或多个不相交的循环(cycle)。在一些实现本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种计算机实现的方法，包括：/n接收表示交换问题的数据；/n从接收到的所述数据确定所述交换问题的整数编程公式；/n将所述交换问题的所述整数编程公式映射到所述交换问题的二次无约束二进制优化(QUBO)公式；/n从量子计算资源获得表示对所述交换问题的解决方案的数据；以及/n基于表示对所述交换问题的解决方案的所获得的所述数据来发起动作。/n

【技术特征摘要】
20181203 US 62/774,479;20190430 US 16/399,1211.一种计算机实现的方法，包括：
接收表示交换问题的数据；
从接收到的所述数据确定所述交换问题的整数编程公式；
将所述交换问题的所述整数编程公式映射到所述交换问题的二次无约束二进制优化(QUBO)公式；
从量子计算资源获得表示对所述交换问题的解决方案的数据；以及
基于表示对所述交换问题的解决方案的所获得的所述数据来发起动作。


2.根据权利要求1所述的方法，其中所述交换问题的所述整数编程公式包括：
要被最大化的目标函数；以及
一个或多个约束，包括等式约束和不等式约束。


3.根据权利要求2所述的方法，其中将所述交换问题的所述整数编程公式映射到所述交换问题的QUBO公式包括：
将要被最大化的所述目标函数映射到要被最小化的QUBO目标函数；以及
将惩罚项添加到要被最小化的所述QUBO目标函数，其中所述惩罚项基于所述一个或多个约束而被确定。


4.根据权利要求3所述的方法，还包括确定所述惩罚项，包括：
对于每个等式约束：
当所述约束被满足时，将所述约束表示为等于零的等式，并且当所述约束不被满足时，将所述约束表示为等于严格正值的等式；
将所述等式乘以权重，以生成对应的部分惩罚项；以及
将所生成的所述部分惩罚项包括在所述惩罚项中。


5.根据权利要求4所述的方法，还包括：
对于每个不等式约束：
将所述不等式约束公式化为包括松弛变量的等式约束，其中每个松弛变量是二进制变量；
使用包括松弛变量的所述等式约束来确定所述惩罚项。


6.根据权利要求1所述的方法，其中当所述量子计算资源包括量子退火计算机时，可选地，其中对所述交换问题的所述解决方案使用量子绝热计算来计算。


7.根据权利要求1所述的方法，其中当所述量子计算资源包括基于门的通用量子计算机时，可选地，其中对所述交换问题的所述解决方案使用量子近似优化方法或其他量子经典混合变分算法来计算。


8.根据权利要求1所述的方法，还包括：执行对从所述量子计算资源获得的、表示对所述交换问题的解决方案的所述数据的经典的后处理。


9.根据权利要求1所述的方法，其中基于表示对所述交换问题的解决方案的所获得的所述数据来发起动作包括：基于对所述交换问题的所述解决方案来交换资源或服务。


10.根据权利要求1所述的方法，其中接收到的所述数据包括表示以下的数据：
交换问题参与方，其中每个参与方在不使用交换介质的情况下提供资源或服务以交换其他资源或服务；
对交换问题参与方之间的交换的约束；以及
所述交换问题。


11.根据权利要求10所述的方法，其中所述交换问题包括肾脏交换...

【专利技术属性】
技术研发人员：许恭铨，M·卡雷尔比利亚德，M·霍华德，C·M·杜卡茨，K·J·林维尔，S·拉姆什，
申请(专利权)人：埃森哲环球解决方案有限公司，
类型：发明
国别省市：爱尔兰;IE