利用量子波动执行热退火的方法和设备技术

公开了利用量子波动增强模拟退火的方法和设备。在一方面，一种方法包括：获得输入状态；利用温度降低调度对输入状态执行模拟退火，直到能量的减小低于第一最小值为止；响应于确定能量的减小低于第一最小级别，而终止模拟退火；输出第一演化状态和第一温度值；将温度降低到最小温度值；利用横向场增加调度对第一演化状态执行量子退火，直到第二事件的完成发生为止；响应于确定第二事件的完成已经发生，而终止量子退火；以及输出第二演化状态作为用于模拟退火的随后输入状态，并确定第一事件的完成已经发生。件的完成已经发生。件的完成已经发生。

【技术实现步骤摘要】
利用量子波动执行热退火的方法和设备
[0001]本申请是国际申请日为2016年12月22日，申请号为201680081437.X，专利技术名称为“利用量子退火增强模拟退火”的专利技术专利申请的分案申请。


[0002]本说明书涉及量子计算。

技术介绍

[0003]优化任务可以转化为机器学习优化问题。在优化的退火方法中，计算任务的优化的解决方案在物理系统的最低能量配置中编码。最低能量配置可以通过热退火来实现，例如冷却系统接近零温度，或者最低能量配置可以通过量子退火来实现，例如隧穿通过能量势垒。

技术实现思路

[0004]本说明书涉及构造和编程用于量子退火过程的量子硬件。特别地，该说明书描述了利用量子波动增强模拟退火的技术。
[0005]通常，本说明书中描述的主题的一个创新方面可以用一种方法实现，该方法包括以下动作：获得初始输入状态；在初始输入状态和随后输入状态执行模拟退火和量子退火，直到第一事件的完成为止；并且确定第一事件的完成已经发生。
[0006]该方面的其他实施方式包括对应计算机系统、设备和记录在一个或多个计算机存储装置上的计算机程序，所述计算机系统、设备和计算机程序的每一个被配置为执行所述方法的动作。一个或多个计算机的系统可以被配置为借助于安装在系统上的软件、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促使系统执行所述动作。一个或多个计算机程序可以被配置为借助于包括以下指令来执行特定操作或动作，所述指令当由数据处理设备运行时，促使该设备执行动作。
[0007]前述和其他实施方式中的每一个能够可选地、单独或组合地、包含以下特征中的一个或多个。在一些实施方式中，对初始输入状态和随后输入状态执行模拟退火和量子退火包括：接收输入状态，该输入状态是初始输入状态或随后输入状态之一；利用温度降低调度对输入状态执行模拟退火，直到能量的减少低于第一最小值为止；响应于确定能量的减少低于第一最小级别，终止模拟退火；输出第一演化状态和第一温度值；将温度降低到最小温度值；利用横向场增加调度对第一演化状态执行量子退火，直到第二事件的完成发生为止；响应于确定第二事件的完成已经发生，终止量子退火；并且输出第二演化状态作为模拟退火的随后输入状态。
[0008]在其他实施方式中，确定所述第一事件的完成已经发生包括：确定所述第一温度值低于或等于所述最小温度值。
[0009]在某些情况下，初始输入状态是物理系统的状态，该物理系统的基态编码优化任务的解决方案。
[0010]在其他情况下，确定第一事件的完成已经发生还包括：利用第一温度值对第一演化状态输出执行测量，以确定优化任务的解决方案。
[0011]在一些实施方式中，利用温度降低调度对输入状态执行模拟退火包括：执行梅特罗波利斯算法。
[0012]在其他实施方式中，执行量子退火包括：重复多次量子退火的扫描，直到第二事件的完成发生为止。
[0013]在进一步的实施方式中，执行量子退火包括：重复多次量子退火的扫描，直到能量的减少低于第二最小值，其中第二最小值不同于第一最小值。
[0014]在某些情况下，执行量子退火包括：创建连通子图的列表；计算用于每个连通子图的最低可实现能量值；计算当前能量值和用于每个连通子图的最低可实现能量值之间的差值；确定至少一个差值为正；选择实现总体最大正差值的子图和对应转变；并执行实现总体最大正差值的对应转变。
[0015]在一些情况下，连通子图具有尺寸K。
[0016]在一些实施方式中，重复扫描的数量最多为Q
S
N/K，其中Q
S
是量子扫描的预定数量，N是系统尺寸。
[0017]在一些情况下，当(i)已执行固定数量的量子扫描时，或(ii)每个连通子图的最低可实现能量值与当前能量值相同或更高时，第二事件的完成发生。
[0018]在进一步的情况下，选择实现总体最大正差值的子图和对应转变还包括：计算实现总体最低可实现能量值的连通子图的集合中的每个连通子图的汉明距离；确定存在相对于其他子图的汉明距离具有最短汉明距离的子图；和
[0019]响应于确定存在具有最短汉明距离的一个子图，选定具有最短汉明距离的转变。
[0020]在一些实施方式中，该方法还包括：确定存在具有最短汉明距离的多于一个子图；并且从实现总体最低可实现能量值且具有最短汉明距离的子图的集合中，随机选定该转变。
[0021]在一些情况下，所述初始输入状态是随机选定的状态。
[0022]在其他情况下，所述初始输入状态是经典状态。
[0023]在一些实施方式中，准备所述经典状态包括：将温度设置为预定的最大值。
[0024]在另一些实施方式中，一种用于利用量子波动执行热退火的方法，所述方法包括：获得初始输入状态；对初始输入状态和随后输入状态执行模拟退火和量子退火，直到第一事件的完成为止；以及确定第一事件的完成已经发生。
[0025]在另一些实施方式中，一种设备，包括：退火系统，包括与辅助系统通信的量子系统，所述退火系统配置成：获得初始输入状态；对初始输入状态和随后输入状态执行模拟退火和量子退火，直到第一事件的完成为止；以及确定第一事件的完成已经发生。
[0026]在另一些实施方式中，一种设备，包括：退火系统，包括与经典集成电路通信的量子集成电路，所述退火系统被配置为：获得初始输入状态；对初始输入状态和随后输入状态执行模拟退火和量子退火，直到第一事件的完成为止；以及确定第一事件的完成已经发生。
[0027]本说明书中描述的主题可以以特定方式实现，以便实现以下优点中的一个或多个。一种实现用于量子经典退火的兰德
·
罗孚算法的退火系统利用量子波动来增强热退火。例如，如果能量图景(energy landscape)是简单的，例如平滑无局部极小值，则可以应
用热退火。如果能量图景的复杂性增加，例如，由于围绕浅局部极小值的薄而高的能量势垒，则可以应用量子退火。与只执行热退火的退火系统(例如模拟退火或旋转矢量蒙特卡罗(spin vector Monte Carlo))相比，这种具有量子波动的热退火的增强可导致计算成本降低和计算加速。在某些情况下，计算加速可以是二次加速。
[0028]热和量子转变以不同方式横穿(traverse)能量势垒。因此，纯粹的量子退火系统可能能够比经典退火系统更有效地解决一些特定的、精选的问题。类似地，如果不存在可以被利用的明显的规律，则经典退火系统可以提供解决某些特定问题的优良方法。通过结合经典退火和量子退火，实现用于量子经典退火的兰德
·
罗孚算法的退火系统可适用于更宽范围的问题和退火任务，并且可提供用于解决这些问题和退火任务的优化方法。
[0029]与只实现经典退火或只实施量子退火的退火系统相比，实现用于量子经典退火的兰德
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罗孚算法的退火系统可用来找到针对困难的优化问题的更好的解决方案。
[0030]在附图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于利用量子波动执行热退火的方法，所述方法包括：获得初始输入状态；对初始输入状态和随后输入状态执行模拟退火和量子退火，直到第一事件的完成为止；以及确定第一事件的完成已经发生。2.根据权利要求1所述的方法，其中，对初始输入状态和随后输入状态执行模拟退火和量子退火包括：接收输入状态，该输入状态是初始输入状态或随后输入状态之一；利用温度降低调度对输入状态执行模拟退火，直到能量的减小低于第一最小值为止；响应于确定能量的减小低于第一最小级别，而终止模拟退火；输出第一演化状态和第一温度值；将温度降低到最小温度值；利用横向场增加调度对第一演化状态执行量子退火，直到第二事件的完成发生为止；响应于确定第二事件的完成已经发生，而终止量子退火；以及输出第二演化状态作为用于模拟退火的随后输入状态。3.根据权利要求2所述的方法，其中，确定所述第一事件的完成已经发生包括：确定所述第一温度值低于或等于所述最小温度值。4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述初始输入状态是基态编码优化任务的解决方案的物理系统的状态。5.根据权利要求4所述的方法，其中，确定第一事件的完成已经发生还包括：利用第一温度值对第一演化状态输出执行测量，以确定该优化任务的解决方案。6.根据权利要求2所述的方法，其中，利用温度降低调度对所述输入状态执行模拟退火包括：执行梅特罗波利斯算法。7.根据权利要求2所述的方法，其中，执行量子退火包括重复量子退火的多次扫描，直到所述第二事件的完成发生为止。8.根据权利要求2所述的方法，其中，执行量子退火包括重复量子退火的多次扫描，直到能量减小低于第二最小值为止，其中所述第二最小值不同于所述第一最小值。9.根据权利要求2所述的方法，其中，执行量子退火包括：创建连通子图的列表；计算用于每一连通子图的最低可实现能量值；计算当前能量值和用于每一连通子图的最低可实现能量值之间的差值；确定至少一个差值为正；选择实现总体最大正差值的子图和对应转变；...

【专利技术属性】
技术研发人员：H内文，
申请(专利权)人：谷歌有限责任公司，
类型：发明
国别省市：