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量子优化算法综述.docx
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2022-06-10
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量子优化算法综述.docx
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摘 要 量子优化是量子计算领域近年来颇受关注的一个研究分支,主要
研究如何利用量子计算加速优化问题的求解根据优化问题的变量是否
连续分类梳理量子优化算法,侧重介绍连续变量优化算法通过对现存
工作的调研梳理得到一些观察:~ 年前的研究主要集中在离散
变量的量子优化技术,近 年的研究则更关注连续变量的量子优化技
术;量子优化使用的主要基础技术都是 ~ 年前提出的,在基
础技术方面需要进一步革新;量子优化算法相比于对应的经典算法
通常在理论上有加速优势,既有体现在时间复杂度的加速,也有体现
在查询复杂度的加速,但仍然有待更为严格的理论分析;优化领域
依然存在许多值得量子计算研究人员探索的问题,特别是非凸优化领
域,亦即经典计算上认为较难的优化问题
关键词 量子计算;量子优化;数学规划;离散变量优化;连续变量优
化
优化是计算机科学与数学领域十分重要的基础研
究之一,同时也是机器学习的核心工具
相关理论与方法广泛应用于
各类工业生产
、工程设计与管理
、交通运输
、经济决策
、市场管
理
等关乎国计民生的重要领域一个具体的优化问题由 个基本要素
组成:目标函数或损失函数,即决策者需要优化的指标,如总消
耗、总收益等,数学形式表现为由优化变量到指标的函数映射优化
变量,即决策者可以调整且会影响到目标函数的变量,如产品工艺、
资金分配等约束条件,即在决策过程中必须遵守的限制,如安全标

准、资源储备总量等优化过程就是在约束条件的限制下,寻找能最小
化或最大化目标函数的优化变量的赋值优化有时候也被称为数学规划,
下文中优化与规划意义等价,具体使用的词汇将根据该细分方向的用
词习惯决定
根据优化问题的变量是否连续,优化技术可以分为离散变量优化
也称为组合优化和连续变量优化两大类其中,根据目标函数是否是
凸的,连续变量优化又可分为凸优化和非凸优化凸优化主要研究的是
目标函数为凸函数且优化变量可行域为凸集的优化问题,由于凸集凸
函数有许多优秀的性质例如极小值即最小值,使得凸优化问题有很
多高效的解法,在应用迭代方法求解时也能获得良好的收敛速度因此,
凸优化技术方面已有成体系的方法且有广泛的应用相对而言,非凸优
化还有很大的发展空间另外,许多非凸优化问题,目前有效的办法仍
然是转化为凸优化问题求解
与此同时,自从 快速整数分解量子算法
、 量子搜索
算法
以及 ! 量子解线性方程算法
的提出,量子计算就因其与生
俱来的并行性而受到广泛关注,近年来量子计算理论方面的研究进展
可参考文献因此,如何利用量子计算技术来加速优化问题的
求解、提高优化效果成为受关注的问题,逐渐形成了量子优化这一研
究方向量子优化算法的研究从时间上大致分为 " 年和
" 年这 个阶段

" 年此阶段的量子优化算法主要是针对离散变量优
化问题而设计,且有较多的启发式算法此阶段的量子算法主要得益于
当时 类基础离散量子技术:
#$ 算法以及量子随机游走这 个基础算法后续还有不少
改进与扩展,多被用于加速搜索过程
%$量子退火法量子退火法无需使用纠缠态,实现较简单,因此已
经有了 &' 这样的大型专用量子计算机可供实验研究
($量子近似优化技术量子近似优化算法虽然还没有关于理论优势
的 严 格 分 析 , 但 被 认 为 适 合 近 期 的 含 噪 中 等 规 模 量 子 )*
+),-$.//0123计算设备,因此得到不少关注
" 年此阶段的量子优化算法主要针对连续变量优化
问题而设计连续变量优化问题的解法以迭代算法为主,迭代开销以及
收敛速度是影响算法效率的主要因素此阶段的量子算法主要得益于
类量子技术的发展:
#$解线性方程量子算法的设计思想此类方法可用于加速与矩阵操
作相关问题的求解
%$哈密顿模拟技术此类方法的发展为量子态演化提供了高效的实
现方案

($量子随机存储器借助量子随机存储技术对数据进行预处理,可
以使算法的效率得到提升,不过量子随机存储的搭建仍然需要进一步
的优化来保证整体的优势
4$量子梯度估计法计算梯度是许多优化问题的核心步骤,量子梯
度估计法的提出为此提供了便利
连续变量量子优化算法是近年的研究趋势,研究内容涵盖了优化
领域中梯度下降、牛顿法、内点法等常用的传统迭代方法,也有针对
具体优化问题的持续研究,因此本文将重点介绍连续变量量子优化算
法,该方向的研究目前主要集中在量子凸优化方面
1 基本量子算法简介
本节介绍在量子优化算法中使用频率较高的基本量子算法技术关
于量子计算的基本知识以及更全面的介绍可参考文献本节主
要介绍一些相对底层的核心算法技术,它们最初设计时并不是为了优
化算法,可广泛应用于不同的领域,其中当然也包括优化领域
1.1 Grover 算法与量子随机游走(Grover algorithm
&quantum random walk)
算法与量子随机游走已经被应用在许多领域,其中就有离
散优化领域 算法于 年被提出
,用于无序数据库搜索,
其方法是通过迭代利用一个可识别搜索目标的黑盒来提高搜索目标在
量子叠加态中的振幅,从而提高测量获得搜索目标的概率后续有多个

相关的改进结果,如由清华大学的 !5 提出的 算法的精确版
本
原始的 算法需要确切知道搜索空间中目标的数量才能确
定最优的迭代次数,过少的迭代次数达不到效果,过多的迭代也会降
低搜索的成功率,迭代次数增多并不能保证一直趋向搜索目标该问题
在文献中被称为“)/67$8-9因此,对于搜索空间中目标
数量未知的情形,算法需要改进, 和 :- 先后对此作过讨论
并给出了随着迭代次数增加能一直增加搜索成功率的改进版本
,但
这几项工作都一定程度上牺牲了算法效率最终 ;+ 等人给出了进一
步改进
,既保留了平方加速,也保证了迭代最终会一直趋向搜索目标
此 系 列 改 进 工 作 被 称 为 固 定 点 量 子 搜 索 <=+$.//
),若搜索前对答案有一定的先验知识, 等人给出了相应最优
算法
量子随机游走于 年由新墨西哥大学的 > 等 名学
者 提 出
不 同 时 期 量 子 随 机 游 走 的 工 作 梳 理 可 参 见 文 献
算法可以看作是在一种特殊图上的量子随机游走,因此量
子随机游走是一种更一般化的量子搜索技术,已经成为一类重要的量
子算法设计模型
1.2 量子傅里叶变换与量子相位估计算法(quantum
Fourier transform &quantum phase
estimation algorithm)
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