Ottimizzazione binaria di ordine superiore con l'Optimization Solver di Q-CTRL

Nota

Le funzioni Qiskit sono una funzione sperimentale disponibile solo per gli utenti di IBM Quantum® Premium Plan, Flex Plan e On-Prem (tramite IBM Quantum Platform API) Plan. Sono in stato di anteprima e sono soggetti a modifiche.

Stima di utilizzo: 24 minuti su un processore Heron r2. (NOTA: questa è solo una stima. Il tempo di esecuzione potrebbe variare)

Sfondo

Questa esercitazione mostra come risolvere un problema di ottimizzazione binaria di ordine superiore (HOBO) utilizzando il risolutore di ottimizzazione, una funzione Qiskit di Q-CTRL Fire Opal. L'esempio illustrato in questa esercitazione è un problema di ottimizzazione volto a trovare l'energia di stato fondamentale di un modello Ising a 156 qubit con legami casuali che possiede termini cubici. Il risolutore di ottimizzazione può essere utilizzato per problemi di ottimizzazione generali che possono essere definiti come una funzione obiettivo.

L'ottimizzazione automatizza completamente le fasi di implementazione hardware-aware della soluzione di problemi di ottimizzazione su hardware quantistico e, sfruttando la gestione delle prestazioni per l'esecuzione quantistica, ottiene soluzioni accurate su scala di utilità. Per un riepilogo dettagliato dell'intero flusso di lavoro di Optimization Solver e dei risultati del benchmarking, consultare il manoscritto pubblicato.

Questa esercitazione illustra i seguenti passaggi:

Definire il problema come funzione obiettivo
Eseguire l'algoritmo ibrido utilizzando il risolutore di ottimizzazione Fire Opal
Valutare i risultati

Requisiti

Prima di iniziare questa esercitazione, assicuratevi di aver installato quanto segue:

Funzioni Qiskit (pip install qiskit-ibm-catalog)
SymPy (pip install sympy)

È inoltre necessario ottenere l'accesso alla funzione Optimization Solver. Compilate il modulo per richiedere l'accesso.

Configura

Per prima cosa, importate i pacchetti e gli strumenti necessari.

# Qiskit Functions Catalog
from qiskit_ibm_catalog import QiskitFunctionsCatalog

# SymPy tools for constructing objective function
from sympy import Poly
from sympy import symbols, srepr

# Tools for plotting and evaluating results
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from sympy import lambdify

Definisci le tue credenziali IBM Quantum Platform, che verranno utilizzate nel corso del tutorial per l'autenticazione al servizio IBM Quantum Compute Service e a Qiskit Functions.

# Credentials

# For `token`, use the 44-character API_KEY you created
# and saved from the IBM Quantum Platform Home dashboard
token = "<YOUR-API_KEY>"
instance = "<YOUR_CRN>"

Fase 1: Definire il problema come una funzione obiettivo

Il risolutore di ottimizzazione accetta come input una funzione obiettivo o un grafico. In questa esercitazione, il problema della minimizzazione del vetro di spin di Ising è definito come funzione obiettivo ed è stato adattato alla topologia heavy-hex dei dispositivi IBM®.

Poiché questa funzione obiettivo contiene termini cubici, quadratici e lineari, rientra nella classe dei problemi HOBO, noti per essere notevolmente più complicati da risolvere rispetto ai tradizionali problemi di ottimizzazione binaria quadratica non vincolata (QUBO).

Per una discussione dettagliata sulla costruzione della definizione del problema e sui precedenti risultati ottenuti dal risolutore di ottimizzazione, si rimanda a questo manoscritto tecnico. Il problema è stato originariamente definito e valutato nell'ambito di un documento pubblicato dal Los Alamos National Laboratory, ed è stato adattato per sfruttare l'intera larghezza del dispositivo dei processori Quantum Heron a 156 qubit IBM.

qubit_count = 156

# Create symbolic variables to represent qubits
x = symbols([f"x[{i}]" for i in range(qubit_count)])

# # Define a polynomial representing a spin glass model
spin_glass_poly = Poly(
    -4 * x[0] * x[1]
    - 8 * x[1] * x[2] * x[3]
    + 8 * x[1] * x[2]
    + 4 * x[1] * x[3]
    - 4 * x[2]
    + 8 * x[3] * x[4] * x[5]
    - 4 * x[3] * x[5]
    - 8 * x[3] * x[16] * x[23]
    + 4 * x[3] * x[23]
    - 2 * x[3]
    - 4 * x[4]
    - 8 * x[5] * x[6] * x[7]
    + 8 * x[5] * x[6]
    + 4 * x[5] * x[7]
    - 2 * x[5]
    + 8 * x[6] * x[7]
    - 4 * x[6]
    - 8 * x[7] * x[8] * x[9]
    + 4 * x[7] * x[9]
    - 8 * x[7] * x[17] * x[27]
    + 4 * x[7] * x[27]
    - 6 * x[7]
    + 8 * x[8] * x[9]
    + 8 * x[9] * x[10] * x[11]
    - 4 * x[9] * x[11]
    - 2 * x[9]
    - 8 * x[10] * x[11]
    + 4 * x[10]
    - 8 * x[11] * x[12] * x[13]
    + 4 * x[11] * x[13]
    - 8 * x[11] * x[18] * x[31]
    + 8 * x[11] * x[18]
    + 4 * x[11] * x[31]
    - 2 * x[11]
    + 8 * x[12] * x[13]
    + 8 * x[13] * x[14] * x[15]
    - 4 * x[13] * x[15]
    - 2 * x[13]
    - 8 * x[14] * x[15]
    + 4 * x[14]
    - 8 * x[15] * x[19] * x[35]
    + 8 * x[15] * x[19]
    + 4 * x[15] * x[35]
    - 2 * x[15]
    + 8 * x[16] * x[23]
    + 8 * x[17] * x[27]
    - 4 * x[17]
    + 8 * x[18] * x[31]
    - 8 * x[18]
    + 8 * x[19] * x[35]
    - 8 * x[19]
    + 4 * x[20] * x[21]
    - 4 * x[20]
    - 8 * x[21] * x[22] * x[23]
    + 8 * x[21] * x[22]
    + 4 * x[21] * x[23]
    - 8 * x[21] * x[36] * x[41]
    + 4 * x[21] * x[41]
    - 4 * x[21]
    + 8 * x[22] * x[23]
    - 8 * x[22]
    + 8 * x[23] * x[24] * x[25]
    - 4 * x[23] * x[25]
    - 10 * x[23]
    - 8 * x[24] * x[25]
    + 8 * x[25] * x[26] * x[27]
    - 8 * x[25] * x[26]
    - 4 * x[25] * x[27]
    + 8 * x[25] * x[37] * x[45]
    - 8 * x[25] * x[37]
    - 4 * x[25] * x[45]
    + 14 * x[25]
    - 8 * x[26] * x[27]
    + 4 * x[26]
    + 8 * x[27] * x[28] * x[29]
    - 4 * x[27] * x[29]
    - 2 * x[27]
    - 8 * x[28] * x[29]
    - 8 * x[29] * x[30] * x[31]
    + 4 * x[29] * x[31]
    + 8 * x[29] * x[38] * x[49]
    - 8 * x[29] * x[38]
    - 4 * x[29] * x[49]
    + 6 * x[29]
    + 8 * x[30] * x[31]
    - 4 * x[30]
    - 8 * x[31] * x[32] * x[33]
    + 4 * x[31] * x[33]
    - 6 * x[31]
    + 8 * x[33] * x[34] * x[35]
    - 4 * x[33] * x[35]
    - 8 * x[33] * x[39] * x[53]
    + 8 * x[33] * x[39]
    + 4 * x[33] * x[53]
    - 6 * x[33]
    - 8 * x[34] * x[35]
    + 2 * x[35]
    + 8 * x[36] * x[41]
    - 8 * x[37] * x[45]
    + 4 * x[37]
    - 8 * x[38] * x[49]
    + 4 * x[38]
    + 4 * x[40] * x[41]
    - 8 * x[41] * x[42] * x[43]
    + 4 * x[41] * x[43]
    - 8 * x[41]
    + 8 * x[42] * x[43]
    - 4 * x[42]
    - 8 * x[43] * x[44] * x[45]
    + 8 * x[43] * x[44]
    + 4 * x[43] * x[45]
    - 8 * x[43] * x[56] * x[63]
    + 4 * x[43] * x[63]
    - 6 * x[43]
    - 4 * x[44]
    - 8 * x[45] * x[46] * x[47]
    + 4 * x[45] * x[47]
    + 2 * x[45]
    + 4 * x[46]
    - 8 * x[47] * x[48] * x[49]
    + 8 * x[47] * x[48]
    + 4 * x[47] * x[49]
    - 8 * x[47] * x[57] * x[67]
    + 4 * x[47] * x[67]
    - 2 * x[47]
    - 4 * x[48]
    - 8 * x[49] * x[50] * x[51]
    + 8 * x[49] * x[50]
    + 4 * x[49] * x[51]
    - 2 * x[49]
    + 8 * x[50] * x[51]
    - 8 * x[50]
    - 8 * x[51] * x[52] * x[53]
    + 8 * x[51] * x[52]
    + 4 * x[51] * x[53]
    - 8 * x[51] * x[58] * x[71]
    + 4 * x[51] * x[71]
    - 6 * x[51]
    + 8 * x[52] * x[53]
    - 8 * x[52]
    + 8 * x[53] * x[54] * x[55]
    - 8 * x[53] * x[54]
    - 4 * x[53] * x[55]
    - 2 * x[53]
    + 4 * x[54]
    - 8 * x[55] * x[59] * x[75]
    + 4 * x[55] * x[75]
    - 2 * x[55]
    + 8 * x[56] * x[63]
    + 8 * x[57] * x[67]
    - 4 * x[57]
    + 8 * x[58] * x[71]
    + 8 * x[59] * x[75]
    - 4 * x[59]
    + 4 * x[60] * x[61]
    + 8 * x[61] * x[62] * x[63]
    - 4 * x[61] * x[63]
    + 8 * x[61] * x[76] * x[81]
    - 8 * x[61] * x[76]
    - 4 * x[61] * x[81]
    - 8 * x[63] * x[64] * x[65]
    + 8 * x[63] * x[64]
    + 4 * x[63] * x[65]
    - 6 * x[63]
    + 8 * x[65] * x[66] * x[67]
    - 8 * x[65] * x[66]
    - 4 * x[65] * x[67]
    - 8 * x[65] * x[77] * x[85]
    + 4 * x[65] * x[85]
    + 2 * x[65]
    + 4 * x[66]
    - 8 * x[67] * x[68] * x[69]
    + 8 * x[67] * x[68]
    + 4 * x[67] * x[69]
    - 10 * x[67]
    + 8 * x[68] * x[69]
    - 4 * x[68]
    + 8 * x[69] * x[70] * x[71]
    - 4 * x[69] * x[71]
    - 8 * x[69] * x[78] * x[89]
    + 4 * x[69] * x[89]
    - 6 * x[69]
    + 8 * x[71] * x[72] * x[73]
    - 8 * x[71] * x[72]
    - 4 * x[71] * x[73]
    + 2 * x[71]
    - 8 * x[72] * x[73]
    + 8 * x[72]
    - 8 * x[73] * x[74] * x[75]
    + 8 * x[73] * x[74]
    + 4 * x[73] * x[75]
    - 8 * x[73] * x[79] * x[93]
    + 8 * x[73] * x[79]
    + 4 * x[73] * x[93]
    - 6 * x[73]
    + 8 * x[74] * x[75]
    - 4 * x[74]
    - 10 * x[75]
    + 4 * x[76]
    + 8 * x[78] * x[89]
    - 4 * x[78]
    - 4 * x[79]
    - 4 * x[80] * x[81]
    + 4 * x[80]
    - 8 * x[81] * x[82] * x[83]
    + 8 * x[81] * x[82]
    + 4 * x[81] * x[83]
    + 8 * x[82] * x[83]
    - 8 * x[82]
    - 8 * x[83] * x[84] * x[85]
    + 4 * x[83] * x[85]
    - 8 * x[83] * x[96] * x[103]
    + 4 * x[83] * x[103]
    - 2 * x[83]
    - 8 * x[85] * x[86] * x[87]
    + 8 * x[85] * x[86]
    + 4 * x[85] * x[87]
    - 6 * x[85]
    + 8 * x[86] * x[87]
    - 4 * x[86]
    - 8 * x[87] * x[88] * x[89]
    + 4 * x[87] * x[89]
    + 8 * x[87] * x[97] * x[107]
    - 8 * x[87] * x[97]
    - 4 * x[87] * x[107]
    + 2 * x[87]
    + 4 * x[88]
    - 8 * x[89] * x[90] * x[91]
    + 8 * x[89] * x[90]
    + 4 * x[89] * x[91]
    - 10 * x[89]
    + 8 * x[90] * x[91]
    - 8 * x[90]
    - 8 * x[91] * x[92] * x[93]
    + 4 * x[91] * x[93]
    - 8 * x[91] * x[98] * x[111]
    + 8 * x[91] * x[98]
    + 4 * x[91] * x[111]
    - 10 * x[91]
    + 8 * x[92] * x[93]
    - 4 * x[92]
    - 8 * x[93] * x[94] * x[95]
    + 4 * x[93] * x[95]
    - 6 * x[93]
    + 8 * x[95] * x[99] * x[115]
    - 8 * x[95] * x[99]
    - 4 * x[95] * x[115]
    + 2 * x[95]
    + 4 * x[96]
    - 8 * x[97] * x[107]
    + 4 * x[97]
    - 4 * x[98]
    - 8 * x[99] * x[115]
    + 4 * x[99]
    - 4 * x[100] * x[101]
    + 8 * x[101] * x[102] * x[103]
    - 8 * x[101] * x[102]
    - 4 * x[101] * x[103]
    - 8 * x[101] * x[116] * x[121]
    + 8 * x[101] * x[116]
    + 4 * x[101] * x[121]
    + 4 * x[101]
    - 8 * x[103] * x[104] * x[105]
    + 4 * x[103] * x[105]
    + 2 * x[103]
    + 8 * x[105] * x[106] * x[107]
    - 4 * x[105] * x[107]
    - 8 * x[105] * x[117] * x[125]
    + 4 * x[105] * x[125]
    + 2 * x[105]
    - 8 * x[106] * x[107]
    + 4 * x[106]
    + 8 * x[107] * x[108] * x[109]
    - 4 * x[107] * x[109]
    + 6 * x[107]
    - 4 * x[108]
    + 8 * x[109] * x[110] * x[111]
    - 4 * x[109] * x[111]
    - 8 * x[109] * x[118] * x[129]
    + 4 * x[109] * x[129]
    + 2 * x[109]
    - 8 * x[110] * x[111]
    + 4 * x[110]
    - 8 * x[111] * x[112] * x[113]
    + 8 * x[111] * x[112]
    + 4 * x[111] * x[113]
    + 2 * x[111]
    + 8 * x[112] * x[113]
    - 8 * x[112]
    - 8 * x[113] * x[114] * x[115]
    + 4 * x[113] * x[115]
    - 8 * x[113] * x[119] * x[133]
    + 4 * x[113] * x[133]
    - 2 * x[113]
    + 6 * x[115]
    - 4 * x[116]
    + 4 * x[118]
    + 4 * x[119]
    + 4 * x[120] * x[121]
    - 8 * x[121] * x[122] * x[123]
    + 4 * x[121] * x[123]
    - 4 * x[121]
    + 4 * x[122]
    - 8 * x[123] * x[124] * x[125]
    + 4 * x[123] * x[125]
    - 8 * x[123] * x[136] * x[143]
    + 4 * x[123] * x[143]
    - 2 * x[123]
    + 8 * x[124] * x[125]
    - 4 * x[124]
    + 8 * x[125] * x[126] * x[127]
    - 8 * x[125] * x[126]
    - 4 * x[125] * x[127]
    + 2 * x[125]
    - 8 * x[127] * x[128] * x[129]
    + 8 * x[127] * x[128]
    + 4 * x[127] * x[129]
    + 8 * x[127] * x[137] * x[147]
    - 8 * x[127] * x[137]
    - 4 * x[127] * x[147]
    - 2 * x[127]
    + 8 * x[129] * x[130] * x[131]
    - 4 * x[129] * x[131]
    + 2 * x[129]
    - 4 * x[130]
    - 8 * x[131] * x[132] * x[133]
    + 4 * x[131] * x[133]
    - 8 * x[131] * x[138] * x[151]
    + 4 * x[131] * x[151]
    - 2 * x[131]
    + 8 * x[133] * x[134] * x[135]
    - 4 * x[133] * x[135]
    + 2 * x[133]
    - 8 * x[134] * x[135]
    + 4 * x[134]
    - 8 * x[135] * x[139] * x[155]
    + 8 * x[135] * x[139]
    + 4 * x[135] * x[155]
    + 2 * x[135]
    + 8 * x[136] * x[143]
    - 4 * x[136]
    + 4 * x[138]
    + 8 * x[139] * x[155]
    - 4 * x[139]
    - 4 * x[140] * x[141]
    - 8 * x[141] * x[142] * x[143]
    + 8 * x[141] * x[142]
    + 4 * x[141] * x[143]
    + 8 * x[142] * x[143]
    - 8 * x[142]
    - 8 * x[143] * x[144] * x[145]
    + 8 * x[143] * x[144]
    + 4 * x[143] * x[145]
    - 14 * x[143]
    + 8 * x[144] * x[145]
    - 8 * x[144]
    - 8 * x[145] * x[146] * x[147]
    + 8 * x[145] * x[146]
    + 4 * x[145] * x[147]
    - 6 * x[145]
    + 8 * x[146] * x[147]
    - 4 * x[146]
    - 8 * x[147] * x[148] * x[149]
    + 8 * x[147] * x[148]
    + 4 * x[147] * x[149]
    - 6 * x[147]
    - 4 * x[148]
    - 8 * x[149] * x[150] * x[151]
    + 8 * x[149] * x[150]
    + 4 * x[149] * x[151]
    - 6 * x[149]
    + 8 * x[151] * x[152] * x[153]
    - 4 * x[151] * x[153]
    + 2 * x[151]
    + 8 * x[153] * x[154] * x[155]
    - 8 * x[153] * x[154]
    - 4 * x[153] * x[155]
    + 2 * x[153]
    - 8 * x[154] * x[155]
    + 4 * x[154]
    - 2 * x[155]
    + 46,
    x,
    domain="ZZ",
)

Passaggio 2: eseguire l'algoritmo ibrido utilizzando Fire Opal Optimization Solver

Ora utilizzate la funzione Qiskit Optimization Solver per eseguire l'algoritmo. Dietro le quinte, il risolutore di ottimizzazione si occupa di mappare il problema in un algoritmo quantistico ibrido, di far funzionare i circuiti quantistici con la soppressione degli errori e di eseguire l'ottimizzazione classica.

# Authenticate to the Qiskit Functions Catalog
catalog = QiskitFunctionsCatalog(
    token=token,
    instance=instance,
)

# Load the function
solver = catalog.load("q-ctrl/optimization-solver")

Verificare che il dispositivo scelto abbia almeno 156 qubit.

# Specify the target backend name
backend_name = "<CHOOSE_A_BACKEND>"

Il risolutore accetta una rappresentazione a stringa della funzione obiettivo.

# Convert the objective function to string format
spin_glass_poly_as_str = srepr(spin_glass_poly)

# Run the problem
spin_glass_job = solver.run(
    problem=spin_glass_poly_as_str,
    run_options={"backend_name": backend_name},
)

È possibile utilizzare le API Qiskit Serverless già note per controllare lo stato del carico di lavoro di Qiskit Function:

# Get job status
spin_glass_job.status()

Il Solver restituisce un dizionario contenente la soluzione e i metadati associati, quali la stringa di bit della soluzione, il numero di iterazioni e la mappatura delle variabili alla stringa di bit. Per una definizione completa degli input e degli output del Solver, consulta la documentazione.

# Poll for results
result = spin_glass_job.result()

# Get the final bitstring distribution and set the number of shots
distribution = result["final_bitstring_distribution"]

Fase 3: Valutare i risultati

# Get the solution ground state energy
print(f"Minimum ground state energy: {result["solution_bitstring_cost"]}")

Output:

Minimum ground state energy: -242.0

Il solutore ha trovato la soluzione corretta, che è stata convalidata utilizzando un software di ottimizzazione classico. La complessità di questo problema su scala industriale richiede un software di ottimizzazione avanzato per essere risolto in modo classico, come IBM ILOG CPLEX Optimization Studio (CPLEX) o Gurobi Optimization.

Come analisi visiva della qualità dei risultati, è possibile tracciare i risultati calcolando i valori di costo dalle stringhe di bit e le loro probabilità. A titolo di confronto, si riportano i risultati accanto a una distribuzione di stringhe di bit campionate a caso, che equivale a una soluzione classica "a forza bruta". Se l'algoritmo trova costantemente costi inferiori, significa che l'algoritmo quantistico sta risolvendo efficacemente il problema di ottimizzazione.

def plot_cost_histogram(
    costs, probabilities, distribution, qubit_count, bitstring_cost
):
    """Plots a histogram comparing the cost distributions of
    Q-CTRL Solver and random sampling."""

    # Set figure DPI for higher resolution and font size for labels
    plt.rcParams["figure.dpi"] = 300
    plt.rcParams.update({"font.size": 6})  # Set default font size to 6

    # Define labels and colors for the plot
    labels = ["Q-CTRL Solver", "Random Sampling"]
    colors = ["#680CE9", "#E04542"]

    # Calculate total shots (total number of bitstrings in the distribution)
    shots = sum(distribution.values())

    # Generate random bitstrings for comparison (random sampling)
    rng = np.random.default_rng(seed=0)
    random_array = rng.integers(
        0, 2, size=(shots, qubit_count)
    )  # Generate random bitstrings (0 or 1 for each qubit)
    random_bitstrings = ["".join(row.astype(str)) for row in random_array]

    # Compute the cost for each random bitstring
    random_costs = [bitstring_cost(k) for k in random_bitstrings]

    # Set uniform probabilities for the random sampling
    random_probabilities = (
        np.ones(shape=(shots,)) / shots
    )  # Equal probability for each random bitstring

    # Find the minimum and maximum costs for binning the histogram
    min_cost = np.min(costs)
    max_cost = np.max(random_costs)

    # Create a histogram plot with a smaller figure size (4x2 inches)
    fig, ax = plt.subplots(nrows=1, ncols=1, figsize=(4, 2))

    # Plot histograms for the Q-CTRL solver and random sampling costs
    _, _, _ = ax.hist(
        [costs, random_costs],  # Data for the two histograms
        np.arange(min_cost, max_cost, 2),  # Bins for the histogram
        weights=[
            probabilities,
            random_probabilities,
        ],  # Probabilities for each data set
        label=labels,  # Labels for the legend
        color=colors,  # Colors for each histogram
        histtype="stepfilled",  # Filled step histogram
        align="mid",  # Align bars to the bin center
        alpha=0.8,  # Transparency
    )

    # Set the x and y labels for the plot
    ax.set_xlabel("Cost")
    ax.set_ylabel("Probability")

    # Add the legend to the plot
    ax.legend()

    # Show the plot
    plt.show()

# Convert spin_glass_poly into a NumPy-compatible function
poly_as_numpy_function = lambdify(x, spin_glass_poly.as_expr(), "numpy")


# Function to compute the cost of a given bitstring using spin_glass_poly
def bitstring_cost(bitstring: str) -> float:
    # Convert bitstring to a reversed list of integers (0s and 1s)
    return float(
        poly_as_numpy_function(*[int(b) for b in str(bitstring[::-1])])
    )


# Calculate the cost of each bitstring in the distribution
costs = [bitstring_cost(k) for k, _ in distribution.items()]

# Extract probabilities from the bitstring distribution
probabilities = np.array([v for _, v in distribution.items()])
probabilities = probabilities / sum(
    probabilities
)  # Normalize to get probabilities

plot_cost_histogram(
    costs, probabilities, distribution, qubit_count, bitstring_cost
)

Output:

Poiché l'obiettivo di questo algoritmo di ottimizzazione è trovare lo stato fondamentale minimo del modello di Ising, valori più bassi indicano soluzioni migliori. Pertanto, è visivamente evidente che le soluzioni generate dal risolutore di ottimizzazione Fire Opal superano di gran lunga la selezione casuale.

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