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IBM Quantum Platform

Techniques avancées pour le QAOA

Estimation de l'utilisation : 3 minutes sur un processeur r2 Heron (REMARQUE : il s'agit uniquement d'une estimation. Votre durée d'exécution peut varier.)


Prérequis

Les utilisateurs doivent connaître les principes fondamentaux de l'algorithme d'optimisation quantique approximative (QAOA). Consultez les ressources suivantes pour une introduction au QAOA :


Résultats d'apprentissage

À l'issue de ce tutoriel, les utilisateurs devraient être en mesure de :

  • Utiliser des techniques avancées qui contribuent à améliorer la compilation de QAOA et permettent d'optimiser ses performances

Pour un guide détaillé du contenu de ce tutoriel, consultez cette vidéo Qiskit.


Arrière-plan

Ce tutoriel présente deux techniques avancées permettant d'améliorer les performances de l 'algorithme d'optimisation quantique approximative (QAOA) lorsqu'il est appliqué à un grand nombre de qubits.

Les techniques avancées présentées dans ce cahier comprennent

  • Stratégie SWAP avec mappage initial SAT : il s'agit d'un passage de transcompilateur spécialement conçu pour le QAOA, qui combine une stratégie SWAP et un solveur SAT afin d'optimiser la sélection des qubits physiques à utiliser sur le QPU. La stratégie SWAP exploite la commutativité des opérateurs QAOA pour réorganiser les portes de manière à ce que des couches de portes SWAP puissent être exécutées simultanément, réduisant ainsi la profondeur du circuit [1]. Le solveur SAT sert à trouver une correspondance initiale qui minimise le nombre d'opérations SWAP nécessaires pour mettre en correspondance les qubits du circuit avec les qubits physiques du dispositif [2].
  • CVaR fonction de coût : En général, on utilise la valeur attendue de l'hamiltonien de coût comme fonction de coût pour le QAOA, mais comme l'a montré [3], le fait de se concentrer sur la queue de la distribution plutôt que sur la valeur attendue peut améliorer les performances du QAOA pour les problèmes d'optimisation combinatoire. C'est ce que permet l' CVaR. Pour un ensemble donné de tirages associés à des valeurs objectives du problème d'optimisation considéré, la valeur à risque conditionnelle ( CVaR ) avec un niveau de confiance de α[0,1]\alpha \in [0, 1] est définie comme la moyenne des meilleurs tirages α\alpha [3]. Ainsi, α=1\alpha = 1 correspond à la valeur attendue standard, tandis que α=0\alpha=0 correspond à la valeur minimale parmi les prises de vue fournies, et α(0,1)\alpha \in (0, 1) représente un compromis entre la recherche des meilleures prises de vue et l'application d'un lissage par moyennage afin d'uniformiser le paysage d'optimisation. De plus, l' CVaR e peut être utilisé comme technique d'atténuation des erreurs afin d'améliorer la qualité de l'estimation de la valeur objective [4].

À la fin de ce tutoriel, vous devriez être en mesure d'utiliser ces techniques pour obtenir les meilleurs résultats possibles en exécutant QAOA pour vos problèmes d'optimisation.


Exigences

Avant de commencer ce tutoriel, assurez-vous que les éléments suivants sont installés :

  • Qiskit SDK v2.0 ou plus tard, avec prise en charge de la visualisation
  • v0.43Qiskit Runtime ou plus tard (pip install qiskit-ibm-runtime)
  • Bibliothèque graphique Rustworkx (pip install rustworkx)
  • Python SAT (pip install python-sat)

Configuration

from __future__ import annotations

import numpy as np
import rustworkx as rx
from dataclasses import dataclass
from itertools import combinations
from threading import Timer
from collections.abc import Callable, Iterable
from pysat.formula import CNF, IDPool
from pysat.solvers import Solver
from scipy.optimize import minimize
from rustworkx.visualization import mpl_draw as draw_graph

from qiskit.quantum_info import SparsePauliOp
from qiskit.circuit.library import QAOAAnsatz
from qiskit.circuit import QuantumCircuit, ParameterVector
from qiskit.transpiler import CouplingMap, PassManager
from qiskit.transpiler.preset_passmanagers import generate_preset_pass_manager
from qiskit.transpiler.passes.routing.commuting_2q_gate_routing import (
    SwapStrategy,
    FindCommutingPauliEvolutions,
    Commuting2qGateRouter,
)

from qiskit_ibm_runtime import QiskitRuntimeService, Session
from qiskit_ibm_runtime import SamplerV2 as Sampler

Problème de coupe maximale

Imaginons que nous cherchions à résoudre le problème du coup maximal sur un graphe de 100 nœuds à l'aide de l'algorithme QAOA. Le problème du « max-cut » est un problème d'optimisation combinatoire défini sur un graphe G=(V,E)G = (V, E), où VV est l'ensemble des sommets et EE l'ensemble des arêtes. L'objectif est de répartir les sommets en deux ensembles, SS et VSV \setminus S, de manière à maximiser le nombre d'arêtes entre ces deux ensembles. Dans cet exemple, nous utilisons un graphe de 100 nœuds basé sur une carte de couplage matériel.


Exemple de simulateur à petite échelle

Étant donné que l'objectif de ce tutoriel est de montrer comment QAOA fonctionne à des échelles qui dépassent les capacités d'un simulateur, nous allons passer cette étape.

Si vous souhaitez tester un workflow QAOA basé sur un simulateur, consultez le tutoriel consacré à l'algorithme d'optimisation approximative quantique.


Exemple de matériel à grande échelle

Étape 1 : Mettre en correspondance les entrées classiques avec un problème quantique

Graphique → Hamiltonien

Tout d'abord, transposez le problème en un circuit quantique adapté à l'approche QAOA. Vous trouverez plus de détails sur ce processus dans le tutoriel d'introduction à QAOA.

# Instantiate runtime to access backend
service = QiskitRuntimeService()
backend = service.least_busy(
    min_num_qubits=100, operational=True, simulator=False
)
print(backend)

Output:

<IBMBackend('ibm_fez')>
# Check if the coupling map is symmetric. We will add a conditional below
# to avoid over-counting edges for symmetric/bi-directional coupling maps.

backend.coupling_map.is_symmetric

Output:

True
n = 100
graph_100 = rx.PyGraph()
graph_100.add_nodes_from((np.arange(0, n, 1)))
w = 1.0
elist = []

for edge in backend.coupling_map:
    if (edge[0] < n) and (edge[1] < n):
        # Conditional to avoid over-counting edges
        if (
            edge[1],
            edge[0],
            w,
        ) not in elist:
            elist.append((edge[0], edge[1], w))

graph_100.add_edges_from(elist)
draw_graph(graph_100, with_labels=True)

Output:

Output of the previous code cell
# Construct cost hamiltonian


def build_max_cut_paulis(graph: rx.PyGraph) -> list[tuple[str, float]]:
    """Convert the graph to Pauli list.

    This function does the inverse of `build_max_cut_graph`
    """
    pauli_list = []
    for edge in list(graph.edge_list()):
        paulis = ["I"] * len(graph)
        paulis[edge[0]], paulis[edge[1]] = "Z", "Z"

        weight = graph.get_edge_data(edge[0], edge[1])

        pauli_list.append(("".join(paulis)[::-1], weight))

    return pauli_list


max_cut_paulis = build_max_cut_paulis(graph_100)

cost_hamiltonian = SparsePauliOp.from_list(max_cut_paulis)
print("Cost Function Hamiltonian:", cost_hamiltonian)

Output:

Cost Function Hamiltonian: SparsePauliOp(['IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZ', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZI', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIZIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIII', 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'IIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIZIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIZIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 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'IIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'ZIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII'],
              coeffs=[1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j,
 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j,
 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j,
 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j,
 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j,
 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j,
 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j,
 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j,
 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j,
 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j,
 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j,
 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j,
 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j])

Étape 2 : Optimiser le problème pour l'exécution sur du matériel quantique

Stratégie SWAP avec cartographie initiale SAT

Nous démontrerons comment construire et optimiser des circuits QAOA en utilisant la stratégie SWAP avec SAT initial mapping, une passe de transpilation spécialement conçue pour le QAOA appliqué aux problèmes quadratiques.

Dans cet exemple, nous choisissons une stratégie d'insertion SWAP pour les blocs de portes à deux qubits commutatives, qui applique des couches de portes SWAP pouvant être exécutées simultanément sur la carte de couplage. Cette stratégie est présentée dans [1] et est transmise à Commuting2qGateRouter, qui est exposée comme un passage de transcompilateur Qiskit standardisé (voir Commuting2qGateRouter). Dans cet exemple, nous utilisons une stratégie de permutation de lignes.

# Extract longest path with no repeated nodes
nodes = rx.longest_simple_path(graph_100)

# Collect even edges and odd edges
even_edges = [
    (nodes[i], nodes[i + 1])
    if nodes[i] < nodes[i + 1]
    else (nodes[i + 1], nodes[i])
    for i in range(0, len(nodes) - 1, 2)
]
odd_edges = [
    (nodes[i], nodes[i + 1])
    if nodes[i] < nodes[i + 1]
    else (nodes[i + 1], nodes[i])
    for i in range(1, len(nodes) - 1, 2)
]
edge_list = [
    (edge[0], edge[1]) if edge[0] < edge[1] else (edge[1], edge[0])
    for edge in graph_100.edge_list()
]

swap_strategy = SwapStrategy(CouplingMap(edge_list), (even_edges, odd_edges))

Remapper le graphe à l'aide d'un mappeur SAT

Même lorsqu'un circuit est constitué de portes de commutation (c'est le cas du circuit QAOA, mais aussi des simulations de type Trotter des hamiltoniens d'Ising), trouver un bon mappage initial reste une tâche difficile. En utilisant l'approche basée sur le SAT présentée dans [2], nous pouvons déterminer des mappages initiaux efficaces pour les circuits comportant des portes commutatives, ce qui permet de réduire considérablement le nombre de couches SWAP nécessaires. Il a été démontré que cette approche pouvait s'étendre jusqu'à 500 qubits, comme l'illustre l'article.

Le code suivant montre comment utiliser le site SATMapper de Matsuo et al. pour remapper le graphique. Ce processus permet de cartographier le problème dans un état initial plus optimal pour une stratégie SWAP donnée, ce qui entraîne une réduction significative du nombre de couches SWAP nécessaires à l'exécution du circuit.

Dans SATMapper, le problème de la recherche d'une bonne cartographie initiale est formulé comme un problème SAT. Un solveur SAT est utilisé pour trouver une telle cartographie initiale pour le circuit QAOA. python-sat (pysat en abrégé) est une bibliothèque Python pour un solveur SAT, et nous l'utiliserons pour résoudre le problème SAT dans cet exemple.

"""A class to solve the SWAP gate insertion initial mapping problem
using the SAT approach from https://arxiv.org/abs/2212.05666.
"""


@dataclass
class SATResult:
    """A data class to hold the result of a SAT solver."""

    satisfiable: bool  # Satisfiable is True if the SAT model could be solved
    # in a given time.
    solution: dict  # The solution to the SAT problem if it is satisfiable.
    mapping: list  # The mapping of nodes in the pattern graph to nodes in the
    # target graph.
    elapsed_time: float  # The time it took to solve the SAT model.


class SATMapper:
    r"""A class to introduce a SAT-approach to solve
    the initial mapping problem in SWAP gate insertion for commuting gates.

    When this pass is run on a DAG it will look for the first instance of
    :class:`.Commuting2qBlock` and use the program graph :math:`P` of this block
    of gates to find a layout for a given swap strategy. This layout is found
    with a binary search over the layers :math:`l` of the swap strategy. At each
    considered layer a subgraph isomorphism problem formulated as a SAT is solved
    by a SAT solver. Each instance is whether it is possible to embed the program
    graph :math:`P` into the effective connectivity graph :math:`C_l` that is
    achieved by applying :math:`l` layers of the swap strategy to the coupling map
    :math:`C_0` of the backend. Since solving SAT problems can be hard, a
    ``time_out`` fixes the maximum time allotted to the SAT solver for each
    instance. If this time is exceeded the considered problem is deemed
    unsatisfiable and the binary search proceeds to the next number of swap
    layers :math:``l``.
    """

    def __init__(self, timeout: int = 60):
        """Initialize the SATMapping.

        Args:
            timeout: The allowed time in seconds for each iteration of the SAT
                solver. This variable defaults to 60 seconds.
        """
        self.timeout = timeout

    def find_initial_mappings(
        self,
        program_graph: rx.Graph,
        swap_strategy: SwapStrategy,
        min_layers: int | None = None,
        max_layers: int | None = None,
    ) -> dict[int, SATResult]:
        r"""Find an initial mapping for a given swap strategy. Perform a
        binary search over the number of swap layers, and for each number
        of swap layers solve a subgraph isomorphism problem formulated as
        a SAT problem.

        Args:
            program_graph (rx.Graph): The program graph with commuting gates, where
                                        each edge represents a two-qubit gate.
            swap_strategy (SwapStrategy): The swap strategy to use to find the
                                        initial mapping.
            min_layers (int): The minimum number of swap layers to consider.
                                        Defaults to the maximum degree of the
                                        program graph - 2.
            max_layers (int): The maximum number of swap layers to consider.
                                        Defaults to the number of qubits in the
                                        swap strategy - 2.

        Returns:
            dict[int, SATResult]: A dictionary containing the results of the SAT
                                    solver for each number of swap layers.
        """
        num_nodes_g1 = len(program_graph.nodes())
        num_nodes_g2 = swap_strategy.distance_matrix.shape[0]
        if num_nodes_g1 > num_nodes_g2:
            return SATResult(False, [], [], 0)
        if min_layers is None:
            # use the maximum degree of the program graph - 2
            # as the lower bound.
            min_layers = max((d for _, d in program_graph.degree)) - 2
        if max_layers is None:
            max_layers = num_nodes_g2 - 1

        variable_pool = IDPool(start_from=1)
        variables = np.array(
            [
                [variable_pool.id(f"v_{i}_{j}") for j in range(num_nodes_g2)]
                for i in range(num_nodes_g1)
            ],
            dtype=int,
        )
        vid2mapping = {v: idx for idx, v in np.ndenumerate(variables)}
        binary_search_results = {}

        def interrupt(solver):
            # This function is called to interrupt the solver when the
            # timeout is reached.
            solver.interrupt()

        # Make a cnf (conjunctive normal form) for the one-to-one
        # mapping constraint
        cnf1 = []
        for i in range(num_nodes_g1):
            clause = variables[i, :].tolist()
            cnf1.append(clause)
            for k, m in combinations(clause, 2):
                cnf1.append([-1 * k, -1 * m])
        for j in range(num_nodes_g2):
            clause = variables[:, j].tolist()
            for k, m in combinations(clause, 2):
                cnf1.append([-1 * k, -1 * m])

        # Perform a binary search over the number of swap layers to find the
        # minimum number of swap layers that satisfies the subgraph isomorphism
        # problem.
        while min_layers < max_layers:
            num_layers = (min_layers + max_layers) // 2

            # Create the connectivity matrix. Note that if the swap strategy
            # cannot reach full connectivity then its distance matrix will have
            # entries with -1. These entries must be treated as False.
            d_matrix = swap_strategy.distance_matrix
            connectivity_matrix = (
                (-1 < d_matrix) & (d_matrix <= num_layers)
            ).astype(int)
            # Make a cnf for the adjacency constraint
            cnf2 = []
            for e_0, e_1 in list(program_graph.edge_list()):
                clause_matrix = np.multiply(
                    connectivity_matrix, variables[e_1, :]
                )
                clause = np.concatenate(
                    (
                        [[-variables[e_0, i]] for i in range(num_nodes_g2)],
                        clause_matrix,
                    ),
                    axis=1,
                )
                # Remove 0s from each clause
                cnf2.extend([c[c != 0].tolist() for c in clause])

            cnf = CNF(from_clauses=cnf1 + cnf2)

            with Solver(bootstrap_with=cnf, use_timer=True) as solver:
                # Solve the SAT problem with a timeout.
                # Timer is used to interrupt the solver when the
                # timeout is reached.
                timer = Timer(self.timeout, interrupt, [solver])
                timer.start()
                status = solver.solve_limited(expect_interrupt=True)
                timer.cancel()
                # Get the solution and the elapsed time.
                sol = solver.get_model()
                e_time = solver.time()

                print(
                    f"Layers: {num_layers}, Status: {status}, Time: {e_time}"
                )
                if status:
                    # If the SAT problem is satisfiable, convert the solution
                    # to a mapping.
                    mapping = [vid2mapping[idx] for idx in sol if idx > 0]
                    binary_search_results[num_layers] = SATResult(
                        status, sol, mapping, e_time
                    )
                    max_layers = num_layers
                else:
                    # If the SAT problem is unsatisfiable, return the last
                    # satisfiable solution.
                    binary_search_results[num_layers] = SATResult(
                        status, sol, [], e_time
                    )
                    min_layers = num_layers + 1

        return binary_search_results

    def remap_graph_with_sat(
        self, graph: rx.Graph, swap_strategy, max_layers
    ):
        """Applies the SAT mapping.

        Args:
            graph (nx.Graph): The graph to remap.
            swap_strategy (SwapStrategy): The swap strategy to use
                                            to find the initial mapping.

        Returns:
            tuple: A tuple containing the remapped graph, the edge map, and the
            number of layers of the swap strategy that was used to find the
            initial mapping. If no solution is found then the tuple contains
            None for each element. Note the returned edge map `{k: v}` means that
            node `k` in the original graph gets mapped to node `v` in the
            Pauli strings.
        """
        num_nodes = len(graph.nodes())
        results = self.find_initial_mappings(
            graph, swap_strategy, 0, max_layers
        )
        solutions = [k for k, v in results.items() if v.satisfiable]

        if len(solutions):
            min_k = min(solutions)
            edge_map = dict(results[min_k].mapping)
            # Create the remapped graph
            remapped_graph = rx.PyGraph()
            remapped_graph.add_nodes_from(range(num_nodes))
            mapping = dict(results[min_k].mapping)
            for i, graph_edge in enumerate(list(graph.edge_list())):
                remapped_edge = tuple(mapping[node] for node in graph_edge)
                remapped_graph.add_edge(*remapped_edge, graph.edges()[i])
            return remapped_graph, edge_map, min_k
        else:
            return None, None, None
sm = SATMapper(timeout=10)
remapped_graph, edge_map, min_swap_layers = sm.remap_graph_with_sat(
    graph=graph_100, swap_strategy=swap_strategy, max_layers=1
)
print("Map from old to new nodes: ", edge_map)
print("Min SWAP layers:", min_swap_layers)
draw_graph(remapped_graph, node_size=200, with_labels=True, width=1)

Output:

Layers: 0, Status: True, Time: 0.022812999999999306
Map from old to new nodes:  {0: 0, 1: 1, 2: 2, 3: 3, 4: 4, 5: 5, 6: 6, 7: 7, 8: 8, 9: 9, 10: 10, 11: 11, 12: 12, 13: 13, 14: 14, 15: 15, 16: 16, 17: 17, 18: 18, 19: 19, 20: 20, 21: 21, 22: 22, 23: 23, 24: 24, 25: 25, 26: 26, 27: 27, 28: 28, 29: 29, 30: 30, 31: 31, 32: 32, 33: 33, 34: 34, 35: 35, 36: 36, 37: 37, 38: 38, 39: 39, 40: 40, 41: 41, 42: 42, 43: 43, 44: 44, 45: 45, 46: 46, 47: 47, 48: 48, 49: 49, 50: 50, 51: 51, 52: 52, 53: 53, 54: 54, 55: 55, 56: 56, 57: 57, 58: 58, 59: 59, 60: 60, 61: 61, 62: 62, 63: 63, 64: 64, 65: 65, 66: 66, 67: 67, 68: 68, 69: 69, 70: 70, 71: 71, 72: 72, 73: 73, 74: 74, 75: 75, 76: 76, 77: 77, 78: 78, 79: 79, 80: 80, 81: 81, 82: 82, 83: 83, 84: 84, 85: 85, 86: 86, 87: 87, 88: 88, 89: 89, 90: 90, 91: 91, 92: 92, 93: 93, 94: 94, 95: 95, 96: 96, 97: 97, 98: 98, 99: 99}
Min SWAP layers: 0
Output of the previous code cell
remapped_max_cut_paulis = build_max_cut_paulis(remapped_graph)
# define a qiskit SparsePauliOp from the list of paulis
remapped_cost_operator = SparsePauliOp.from_list(remapped_max_cut_paulis)
print(remapped_cost_operator)

Output:

SparsePauliOp(['IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZ', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZI', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIZIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIZIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIZIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIZIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIZIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIZIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIZIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IZIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'ZIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII'],
              coeffs=[1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j,
 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j,
 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j,
 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j,
 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j,
 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j,
 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j,
 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j,
 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j,
 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j,
 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j,
 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j,
 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j])

Construire un circuit QAOA avec la stratégie SWAP et le mappage SAT

Nous ne voulons appliquer les stratégies SWAP qu'à la couche de l'opérateur de coûts, et nous commençons donc par créer le bloc isolé que nous transformerons et ajouterons plus tard au circuit QAOA final.

Pour cela, nous pouvons utiliser la QAOAAnsatz classe de Qiskit. Nous saisissons un circuit vide dans les initial_state champs et mixer_operator afin de nous assurer que nous construisons une couche d'opérateurs de coût isolée. Nous définissons également la edge_coloring correspondance de manière à ce que les portes RZZ soient placées à côté des portes SWAP. Cet emplacement stratégique nous permet de tirer parti des annulations de vols CX, ce qui optimise le circuit et améliore les performances. Ce processus est exécuté au sein de la create_qaoa_swap_circuit fonction.

def make_meas_map(circuit: QuantumCircuit) -> dict:
    """Return a mapping from qubit index (the key) to classical bit (the value).

    This allows us to account for the swapping order introduced by the
    SWAP strategy.
    """
    creg = circuit.cregs[0]
    qreg = circuit.qregs[0]

    meas_map = {}
    for inst in circuit.data:
        if inst.operation.name == "measure":
            meas_map[qreg.index(inst.qubits[0])] = creg.index(inst.clbits[0])

    return meas_map


def apply_swap_strategy(
    circuit: QuantumCircuit,
    swap_strategy: SwapStrategy,
    edge_coloring: dict[tuple[int, int], int] | None = None,
) -> QuantumCircuit:
    """Transpile with a SWAP strategy.

    Returns:
        A quantum circuit transpiled with the given swap strategy.
    """

    pm_pre = PassManager(
        [
            FindCommutingPauliEvolutions(),
            Commuting2qGateRouter(
                swap_strategy,
                edge_coloring,
            ),
        ]
    )
    return pm_pre.run(circuit)


def apply_qaoa_layers(
    cost_layer: QuantumCircuit,
    meas_map: dict,
    num_layers: int,
    gamma: list[float] | ParameterVector = None,
    beta: list[float] | ParameterVector = None,
    initial_state: QuantumCircuit = None,
    mixer: QuantumCircuit = None,
):
    """Applies QAOA layers to construct circuit.

    First, the initial state is applied. If `initial_state` is None, we begin in
    the initial superposition state. Next, we alternate between layers of the
    cost operator and the mixer. The cost operator is alternatively applied in
    order and in reverse instruction order. This allows us to apply the swap
    strategy on odd `p` layers and undo the swap strategy on even `p` layers.
    """

    num_qubits = cost_layer.num_qubits
    new_circuit = QuantumCircuit(num_qubits, num_qubits)

    if initial_state is not None:
        new_circuit.append(initial_state, range(num_qubits))
    else:
        # all h state by default
        new_circuit.h(range(num_qubits))

    if gamma is None or beta is None:
        gamma = ParameterVector("γ'", num_layers)
        if mixer is None or mixer.num_parameters == 0:
            beta = ParameterVector("β'", num_layers)
        else:
            beta = ParameterVector("β'", num_layers * mixer.num_parameters)

    if mixer is not None:
        mixer_layer = mixer
    else:
        mixer_layer = QuantumCircuit(num_qubits)
        mixer_layer.rx(-2 * beta[0], range(num_qubits))

    for layer in range(num_layers):
        bind_dict = {cost_layer.parameters[0]: gamma[layer]}
        cost_layer_ = cost_layer.assign_parameters(bind_dict)
        bind_dict = {
            mixer_layer.parameters[i]: beta[layer + i]
            for i in range(mixer_layer.num_parameters)
        }
        layer_mixer = mixer_layer.assign_parameters(bind_dict)

        if layer % 2 == 0:
            new_circuit.append(cost_layer_, range(num_qubits))
        else:
            new_circuit.append(cost_layer_.reverse_ops(), range(num_qubits))

        new_circuit.append(layer_mixer, range(num_qubits))

    for qidx, cidx in meas_map.items():
        new_circuit.measure(qidx, cidx)

    return new_circuit


def create_qaoa_swap_circuit(
    cost_operator: SparsePauliOp,
    swap_strategy: SwapStrategy,
    edge_coloring: dict = None,
    theta: list[float] = None,
    qaoa_layers: int = 1,
    initial_state: QuantumCircuit = None,
    mixer: QuantumCircuit = None,
):
    """Create the circuit for QAOA.

    Notes: This circuit construction for QAOA works for quadratic terms in `Z`
    and will be extended to first-order terms in `Z`.
    Higher-orders are not supported.

    Args:
        cost_operator: the cost operator.
        swap_strategy: selected swap strategy
        edge_coloring: A coloring of edges that should correspond to the
            coupling map of the hardware. It defines the order in which
            we apply the Rzz gates. This allows us to choose an ordering
            such that `Rzz` gates will immediately precede SWAP gates
            to leverage CNOT cancellation.
        theta: The QAOA angles.
        qaoa_layers: The number of layers of the cost operator and the
        mixer operator.
        initial_state: The initial state on which we apply layers of
            cost operator and mixer.
        mixer: The QAOA mixer. It will be applied as is onto the QAOA
            circuit. Therefore, its output must have the same ordering
            of qubits as its input.
    """

    num_qubits = cost_operator.num_qubits

    if theta is not None:
        gamma = theta[: len(theta) // 2]
        beta = theta[len(theta) // 2 :]
        qaoa_layers = len(theta) // 2
    else:
        gamma = beta = None

    # First, create the ansatz of one layer of QAOA without mixer
    cost_layer = QAOAAnsatz(
        cost_operator,
        reps=1,
        initial_state=QuantumCircuit(num_qubits),
        mixer_operator=QuantumCircuit(num_qubits),
    ).decompose()

    # This will allow us to recover the permutation of the measurements
    # that the swaps introduce.
    cost_layer.measure_all()

    # Now, apply the swap strategy for commuting gates
    cost_layer = apply_swap_strategy(cost_layer, swap_strategy, edge_coloring)

    # Compute the measurement map (qubit to classical bit).
    # We will apply this for odd layers where the swaps were inserted.
    if qaoa_layers % 2 == 1:
        meas_map = make_meas_map(cost_layer)
    else:
        meas_map = {idx: idx for idx in range(num_qubits)}

    cost_layer.remove_final_measurements()

    # Finally, introduce the mixer circuit and add measurements
    # following measurement map
    circuit = apply_qaoa_layers(
        cost_layer, meas_map, qaoa_layers, gamma, beta, initial_state, mixer
    )

    return circuit
# We can define the edge_coloring map so that RZZ gates are positioned
# right before SWAP gates to exploit CX cancellations
# We use greedy edge coloring from rustworkx to color the edges of
# the graph. This coloring is used to order the RZZ gates
# in the circuit.

edge_coloring_idx = rx.graph_greedy_edge_color(graph_100)
edge_coloring = {
    edge: edge_coloring_idx[idx]
    for idx, edge in enumerate(list(graph_100.edge_list()))
}
edge_coloring = {tuple(sorted(k)): v for k, v in edge_coloring.items()}
qaoa_circ = create_qaoa_swap_circuit(
    remapped_cost_operator,
    swap_strategy,
    edge_coloring=edge_coloring,
    qaoa_layers=1,
)
qaoa_circ.draw(output="mpl", fold=False)

Output:

Output of the previous code cell

Étape 3 : Exécution à l'aide des primitives « IBM Quantum »

Préparons-nous maintenant à l'exécution matérielle. Notre première étape consistera à définir une fonction de coût de la valeur à risque conditionnelle ( CVaR ), qui a été introduite dans [3] en vue d'une utilisation dans le cadre des algorithmes d'optimisation quantique variationnelle.

Le site CVaR d'une variable aléatoire XX pour un niveau de confiance α(0,1]α ∈ (0, 1] est défini comme suit CVaRα(X)=E[XXFX1(α)]CVaR_{\alpha}(X) = \mathbb{E} \lbrack X | X \leq F_X^{-1}(\alpha) \rbrackFX1(p)F_X^{-1}(p) est la fonction de distribution cumulative inverse de XX. En d'autres termes, CVaR est la valeur attendue de la queue inférieure de α\alpha de la distribution de XX.

pass_manager = generate_preset_pass_manager(
    backend=backend,
    optimization_level=3,
)

transpiled_qaoa_circ = pass_manager.run(qaoa_circ)
# Utility functions for the evaluation of the expectation value of a measured state
# In this code, for optimization, the measured state is converted into a bit string,
# and the sign of the value is determined by taking the exclusive OR of the bits
# corresponding to Pauli Z.

_PARITY = np.array(
    [-1 if bin(i).count("1") % 2 else 1 for i in range(256)],
    dtype=np.complex128,
)


def evaluate_sparse_pauli(state: int, observable: SparsePauliOp) -> complex:
    """Utility for the evaluation of the expectation value
        of a measured state.

    Args:
        state (int): The measured state.
        observable (SparsePauliOp): The observable to evaluate the
        expectation value for.

    Returns:
        complex: The expectation value of the measured state.
    """
    packed_uint8 = np.packbits(
        observable.paulis.z, axis=1, bitorder="little"
    )  # convert observable to array with 8 bit integer
    state_bytes = np.frombuffer(
        state.to_bytes(packed_uint8.shape[1], "little"),
        dtype=np.uint8,  # convert bitstring to array with 8 bit integer
    )
    reduced = np.bitwise_xor.reduce(packed_uint8 & state_bytes, axis=1)
    # take bitwise xor of the result of 'and' conditional on the
    # above two, return 0 or 1
    return np.sum(observable.coeffs * _PARITY[reduced])
def qaoa_sampler_cost_fun(
    params, ansatz, hamiltonian, sampler, aggregation=None
):
    """Standard sampler-based QAOA cost function to be plugged into
        optimizer routines.

    Args:
        params (np.ndarray): Parameters for the ansatz.
        ansatz (QuantumCircuit): Ansatz circuit.
        hamiltonian (SparsePauliOp): Hamiltonian to be minimized.
        sampler (QAOASampler): Sampler to be used.
        aggregation (Callable | float | None): Aggregation function
            to be applied to the sampled results. If None, the sum
            of the expectation values is returned.
            If float, the CVaR with the given alpha is used.
    """
    # Run the circuit
    job = sampler.run([(ansatz, params)])
    sampler_result = job.result()
    sampled_int_counts = sampler_result[
        0
    ].data.c.get_int_counts()  # bitstrings are stored as integers
    shots = sum(sampled_int_counts.values())
    int_count_distribution = {
        key: val / shots for key, val in sampled_int_counts.items()
    }

    # a dictionary containing: {state: (measurement probability, value)}
    evaluated = {
        state: (
            probability,
            np.real(evaluate_sparse_pauli(state, hamiltonian)),
        )
        for state, probability in int_count_distribution.items()
    }

    # If aggregation is None, return the sum of the expectation values.
    # If aggregation is a float, return the CVaR with the given alpha.
    # Otherwise, use the aggregation function.
    if aggregation is None:
        result = sum(
            probability * value for probability, value in evaluated.values()
        )
    elif isinstance(aggregation, float):
        cvar_aggregation = _get_cvar_aggregation(aggregation)
        result = cvar_aggregation(evaluated.values())
    else:
        result = aggregation(evaluated.values())

    global iter_counts, result_dict
    iter_counts += 1
    temp_dict = {}
    temp_dict["params"] = params.tolist()
    temp_dict["cvar_fval"] = result
    temp_dict["fval"] = sum(
        probability * value for probability, value in evaluated.values()
    )
    temp_dict["distribution"] = sampled_int_counts
    temp_dict["evaluated"] = evaluated
    result_dict[iter_counts] = temp_dict
    print(f"Iteration {iter_counts}: {result}")

    return result


def _get_cvar_aggregation(alpha: float | None) -> Callable:
    """Return the CVaR aggregation function with the given alpha.

    Args:
        alpha (float | None): Alpha value for the CVaR aggregation.
            If None, 1 is used by default.
    Raises:
        ValueError: If alpha is not in [0, 1].
    """
    if alpha is None:
        alpha = 1
    elif not 0 <= alpha <= 1:
        raise ValueError(f"alpha must be in [0, 1], but {alpha} was given.")

    def cvar_aggregation(
        objective_dict: Iterable[tuple[float, float]],
    ) -> float:
        """Return the CVaR of the given measurements.
        Args:
            objective_dict (Iterable[tuple[float, float]]): An iterable
                of tuples containing the measured bit string and the
                objective value based on the bit string.

        """
        sorted_measurements = sorted(objective_dict, key=lambda x: x[1])
        # accumulate the probabilities until alpha is reached
        accumulated_percent = 0.0
        cvar = 0.0
        for probability, value in sorted_measurements:
            cvar += value * min(probability, alpha - accumulated_percent)
            accumulated_percent += probability
            if accumulated_percent >= alpha:
                break
        return cvar / alpha

    return cvar_aggregation

L' CVaR e peut être utilisé comme technique d'atténuation des erreurs, comme nous l'avons vu précédemment [4]. Dans cet exemple, nous déterminons l' α\alpha e et le nombre de passes en fonction de l 'erreur par porte en couches (EPLG) associée au circuit.

num_2q_ops = transpiled_qaoa_circ.count_ops()[
    "cz"
]  # the two qubit gates on our backend are cz's.

for el in backend.properties().general:
    if el.name[:2] == "lf" and el.name[3:] == str(
        n
    ):  # pick out lf_100, lf of the best 100q chain
        lf = el.value  # layer fidelity
        print("layer fidelity", lf)
        eplg = 1 - lf ** (1 / (n - 1))  # error per layered gate (EPLG)
        fid_cz = 1 - eplg
        gamma_cz = 1 / fid_cz**2
        gamma_circ = gamma_cz**num_2q_ops

cvar_aggregation = 1 / np.sqrt(gamma_circ)
print("")
print("The corresponding CVaR aggregation value is: ", cvar_aggregation)
print(
    "To mitigate the twirled noise, increase shots by a factor of",
    np.sqrt(gamma_circ),
)

Output:

layer fidelity 0.5454643821399414

The corresponding CVaR aggregation value is:  0.2568730767702702
To mitigate the twirled noise, increase shots by a factor of 3.8929731857197782
iter_counts = 0
result_dict = {}
init_params = [np.pi, np.pi / 2]

with Session(backend=backend) as session:
    sampler = Sampler(mode=session)
    sampler.options.default_shots = int(1000 / cvar_aggregation)
    sampler.options.dynamical_decoupling.enable = True
    sampler.options.dynamical_decoupling.sequence_type = "XY4"
    sampler.options.twirling.enable_gates = True
    sampler.options.twirling.enable_measure = True
    sampler.options.environment.job_tags = [
        "TUT_AQAOA"
    ]  # add tag for your job execution

    result = minimize(
        qaoa_sampler_cost_fun,
        init_params,
        args=(
            transpiled_qaoa_circ,
            remapped_cost_operator,
            sampler,
            cvar_aggregation,
        ),
        method="COBYLA",
        tol=1e-2,
    )
print(result)

Output:

Iteration 1: -13.227556797094595
Iteration 2: -13.181545294899571
Iteration 3: -13.149537293372594
Iteration 4: -3.305576300816324
Iteration 5: -12.647411769418035
Iteration 6: -13.443610807401718
Iteration 7: -12.475368761210511
Iteration 8: -15.905726329447413
Iteration 9: -18.011752834505565
Iteration 10: -14.125781339945583
Iteration 11: -19.693673319331744
Iteration 12: -21.175543794613695
Iteration 13: -21.805701324676196
Iteration 14: -22.121280244318488
Iteration 15: -20.02575633517435
Iteration 16: -22.399349757584158
Iteration 17: -22.569392265696226
Iteration 18: -21.877719328111898
Iteration 19: -22.79144777628963
Iteration 20: -22.437359259397432
Iteration 21: -23.021505287264777
Iteration 22: -22.69742427180412
Iteration 23: -23.12553129222746
Iteration 24: -22.893473281156922
 message: Return from COBYLA because the trust region radius reaches its lower bound.
 success: True
  status: 0
     fun: -23.12553129222746
       x: [ 2.766e+00  1.080e+00]
    nfev: 24
   maxcv: 0.0

Étape 4 : Post-traitement et restitution du résultat dans le format classique souhaité

Visualisons maintenant nos résultats, puis traitons-les pour déterminer la valeur de la coupe.

from matplotlib import pyplot as plt

plt.figure(figsize=(12, 6))
plt.plot(
    [result_dict[i]["cvar_fval"] for i in range(1, iter_counts + 1)],
    label="CVaR",
)
plt.plot(
    [result_dict[i]["fval"] for i in range(1, iter_counts + 1)],
    label="Standard",
)
plt.legend()
plt.xlabel("Iteration")
plt.ylabel("Cost")
plt.show()

Output:

Output of the previous code cell

Le code suivant permet d'extraire la meilleure solution parmi les chaînes de bits échantillonnées :

# Sort the result_dict[iter_counts]['evaluated'] by the CVaR value
sorted_result_dict = [
    (k, v)
    for k, v in sorted(
        result_dict[iter_counts]["evaluated"].items(),
        key=lambda item: item[1][1],
    )
]
print(
    f"bitstring (int): {sorted_result_dict[0][0]}, "
    f"probability: {sorted_result_dict[0][1][0]}, "
    f"objective value: {sorted_result_dict[0][1][1]}"
)

Output:

bitstring (int): 283561207335785714592526814041, probability: 0.00025693730729701953, objective value: -43.0

Considérons l'hamiltonien HCH_C pour le problème du coupé maximal. Associons chaque sommet du graphe à un qubit dans l'état 0|0\rangle ou 1|1\rangle, où la valeur désigne l'ensemble auquel appartient le sommet. L'objectif de ce problème est de maximiser le nombre d'arêtes (v1,v2)(v_1, v_2) pour lesquelles v1=0v_1 = |0\rangle et v2=1v_2 = |1\rangle, ou inversement. Si l'on associe l'opérateur d' ZZ à chaque qubit, où

Z0=0Z1=1, Z|0\rangle = |0\rangle \qquad Z|1\rangle = -|1\rangle,

alors une arête (v1,v2)(v_1, v_2) appartient à la coupure si la valeur propre de (Z1v1)(Z2v2)=1(Z_1|v_1\rangle) \cdot (Z_2|v_2\rangle) = -1; en d'autres termes, les qubits associés à v1v_1 et v2v_2 sont différents. De même, (v1,v2)(v_1, v_2) n'appartient pas à la section si la valeur propre de (Z1v1)(Z2v2)=1(Z_1|v_1\rangle) \cdot (Z_2|v_2\rangle) = 1.

from typing import Sequence


def to_bitstring(integer, num_bits):
    result = np.binary_repr(integer, width=num_bits)
    return [int(digit) for digit in result]


def evaluate_sample(x: Sequence[int], graph: rx.PyGraph) -> float:
    assert len(x) == len(
        list(graph.nodes())
    ), "The length of x must coincide with the number of nodes in the graph."
    return sum(
        x[u] * (1 - x[v])
        + x[v]
        * (
            1 - x[u]
        )  # x[u] = x[v] if same cut, x[u] \neq x[v] if different cuts
        for u, v in list(graph.edge_list())
    )


bitstring = to_bitstring(
    sorted_result_dict[0][0], len(list(remapped_graph.nodes()))
)
bitstring = bitstring[::-1]
print(f"Result bitstring (binary) : {bitstring}")

cut_value = evaluate_sample(bitstring, remapped_graph)
print(f"The value of the cut is: {cut_value}")

Output:

Result bitstring (binary) : [1, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 0]
The value of the cut is: 77

Enfin, dessinons un graphique basé sur le résultat de CVaR. Nous divisons les nœuds du graphique en deux ensembles sur la base du résultat de CVaR. Les nœuds du premier ensemble sont colorés en gris et les nœuds du second ensemble sont colorés en violet. Les arêtes entre les deux ensembles sont les arêtes qui sont coupées par le partitionnement.

def plot_result(G, x):
    colors = ["tab:grey" if i == 0 else "tab:purple" for i in x]
    pos, _default_axes = rx.spring_layout(G), plt.axes(frameon=True)
    rx.visualization.mpl_draw(
        G,
        node_color=colors,
        node_size=150,
        alpha=0.8,
        pos=pos,
        with_labels=True,
        width=1,
    )


plot_result(graph_100, to_bitstring(sorted_result_dict[0][0], 100)[::-1])

Output:

Output of the previous code cell

Références

[1] Weidenfeller, J., Valor, L. C., Gacon, J., Tornow, C., Bello, L., Woerner, S., & Egger, D. J. (2022). Mise à l'échelle de l'algorithme d'optimisation approximative quantique sur du matériel basé sur des qubits supraconducteurs. Quantum, 6, 870.

[2] Matsuo, A., Yamashita, S., et Egger, D. J. (2023). Une approche SAT du problème de cartographie initiale dans l'insertion de portes SWAP pour les portes commutatives. IEICE Transactions on Fundamentals of Electronics, Communications and Computer Sciences, 106(11), 1424-1431.

[3] Barkoutsos, P. K., Nannicini, G., Robert, A., Tavernelli, I. et Woerner, S. (2020). Amélioration de l'optimisation quantique variationnelle à l'aide de CVaR. Quantum, 4, 256.

[4] Barron, S. V., Egger, D. J., Pelofske, E., Bärtschi, A., Eidenbenz, S., Lehmkuehler, M. et Woerner, S. (2023). Limites prévisibles pour les valeurs d'espérance sans bruit calculées à partir d'échantillons bruyants. arXiv preprint arXiv:2312.00733.


Etapes suivantes

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