【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于量子計(jì)算領(lǐng)域。更準(zhǔn)確地說，本專利技術(shù)涉及使用量子計(jì)算來預(yù)測面臨多步驟決策問題的代理的最優(yōu)動(dòng)作。
技術(shù)介紹
1、如地震等自然災(zāi)害可能造成毀滅性影響，包括人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。在這種場景下，緊急疏散程序至關(guān)重要，并且優(yōu)化這些程序?qū)ν炀壬陵P(guān)重要。緊急疏散期間最常見的交通方式之一是汽車，并且確保這些車輛所采取的路線安全高效很重要。
2、盡管存在用于導(dǎo)航編碼地圖的節(jié)點(diǎn)圖的可靠算法，但當(dāng)引入動(dòng)態(tài)變化的條件時(shí)，即使對于最先進(jìn)的算法來說，找到最優(yōu)路徑的任務(wù)也變得困難。具體地，在自然災(zāi)害的情況下，交通不僅可能受到局部影響(例如由于道路堵塞和局部交通擁堵)，而且作為正在進(jìn)行的疏散工作的一部分，交通擁堵的發(fā)展也可能影響高效路線。
3、量子計(jì)算機(jī)提供了可控量子力學(xué)系統(tǒng)的平臺(tái)，該量子力學(xué)系統(tǒng)的狀態(tài)和相互作用可以被控制以執(zhí)行計(jì)算。計(jì)算是通過可控量子力學(xué)系統(tǒng)(例如，作為經(jīng)典比特的量子類似物的量子比特)的確定性演化來實(shí)現(xiàn)的，并且可以測量量子力學(xué)系統(tǒng)的狀態(tài)來確定計(jì)算的結(jié)果。
4、對這些量子比特的控制運(yùn)算被稱為量子門。量子門可以相干地作用于量子比特，以誘導(dǎo)單個(gè)量子比特的狀態(tài)變化(所謂的單量子比特門)并且作用于多個(gè)量子比特(所謂的多量子比特門)(例如以糾纏多個(gè)量子比特的狀態(tài))及其任何組合。例如，單量子比特門可以誘導(dǎo)電子的自旋態(tài)旋轉(zhuǎn)可選擇的值(例如，π/2)。多量子比特門可以相干地作用于兩個(gè)或更多個(gè)量子比特，如對兩個(gè)量子比特的狀態(tài)進(jìn)行相干cnot運(yùn)算。多個(gè)量子門可以并行或依次應(yīng)用于量子計(jì)算機(jī)的量子比特以執(zhí)行計(jì)算。最終
5、然而，量子力學(xué)系統(tǒng)的疊加態(tài)/糾纏態(tài)固有地不穩(wěn)定(例如，受到退相干的影響)并且這些系統(tǒng)的控制和測量受保真度裕度的影響，使得最先進(jìn)的量子計(jì)算機(jī)目前在可控量子力學(xué)系統(tǒng)(量子比特)的數(shù)量以及連續(xù)執(zhí)行的控制動(dòng)作(量子門)的數(shù)量方面都受到限制。
6、盡管存在這些缺點(diǎn)，但近期可用的量子處理器(即嘈雜中型量子(noisyintermediate-scale?quantum，nisq)設(shè)備)應(yīng)用前景廣闊，如變分量子算法。在變分量子算法中，量子門的作用根據(jù)變分參數(shù)進(jìn)行參數(shù)化，并且變分參數(shù)可以在經(jīng)典計(jì)算資源的幫助下以類似于機(jī)器學(xué)習(xí)的方式系統(tǒng)地變化。通過改變變分參數(shù)以使成本函數(shù)(該成本函數(shù)給出變分量子電路關(guān)于最優(yōu)解的輸出的成本)極值化，可以“訓(xùn)練”變分量子電路的輸出以提供未見過的問題的最優(yōu)解。不同量子比特之間的糾纏可以運(yùn)行訪問大的內(nèi)部狀態(tài)空間，以提供“量子優(yōu)勢”。
7、giacomo?nannicini和leo?liberti.(“shortest?paths?on?dynamic?graphs[動(dòng)態(tài)圖上的最短路徑].international?transactions?in?operational?research[國際運(yùn)籌學(xué)匯刊]”,15(5):551–563,2008)公開了用于通過節(jié)點(diǎn)和邊的圖確定最優(yōu)路徑的常用算法。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、傳統(tǒng)的優(yōu)化方法依賴于經(jīng)典算法，該經(jīng)典算法可能無法處理如緊急疏散計(jì)劃的優(yōu)化等大規(guī)模問題的復(fù)雜性。此外，這些算法通常依賴于對整個(gè)問題概況以及動(dòng)態(tài)的全面了解來做出準(zhǔn)確的預(yù)測。
2、鑒于這一現(xiàn)有技術(shù)，本專利技術(shù)的目的是提供一種用于在面臨復(fù)雜的多步驟決策問題時(shí)，特別地基于關(guān)于所述問題的信息的(局部)子集來預(yù)測最優(yōu)動(dòng)作的改進(jìn)系統(tǒng)。
3、這個(gè)目的通過根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求的方法和系統(tǒng)來解決。從屬權(quán)利要求涉及優(yōu)選實(shí)施例。
4、根據(jù)第一方面，本專利技術(shù)涉及一種用于基于當(dāng)前狀態(tài)來確定多步驟決策問題中的最優(yōu)動(dòng)作的量子計(jì)算系統(tǒng)。所述量子計(jì)算系統(tǒng)包括：第一量子比特寄存器，所述第一量子比特寄存器包括第一計(jì)算量子比特；第二量子比特寄存器，所述第二量子比特寄存器包括第二計(jì)算量子比特；第一變分量子電路，所述第一變分量子電路包括作用于所述第一計(jì)算量子比特的多個(gè)量子門；以及第二變分量子電路，所述第二變分量子電路包括作用于所述第二計(jì)算量子比特的多個(gè)量子門。所述第一變分量子電路和所述第二變分量子電路的所述多個(gè)量子門各自包括變分量子門和分別用于修改所述第一計(jì)算量子比特和所述第二計(jì)算量子比特的狀態(tài)的編碼門，并且所述變分量子門對所述量子比特寄存器的量子比特的參數(shù)化作用是根據(jù)相關(guān)聯(lián)的變分參數(shù)來參數(shù)化的。所述編碼門被配置為分別在所述第一計(jì)算量子比特和所述第二計(jì)算量子比特的量子態(tài)下對第一輸入特征向量和第二輸入特征向量進(jìn)行編碼，并且所述第二變分量子電路的量子門不作用于所述第一計(jì)算量子比特。所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括：相干相互作用量子電路，其中，所述相干相互作用量子電路包括多個(gè)多量子比特門，以用于糾纏分別由所述第一變分量子電路和所述第二變分量子電路作用的所述第一計(jì)算量子比特和所述第二計(jì)算量子比特的量子態(tài)；以及測量部分，所述測量部分用于通過測量所述第一計(jì)算量子比特和所述第二計(jì)算量子比特中的一者或兩者的量子態(tài)來確定指示所述最優(yōu)動(dòng)作的輸出特征向量。
5、與當(dāng)前用于變分量子電路的方法相反，第一變分量子電路和第二變分量子電路可以獨(dú)立地作用于不同的量子比特集合，以便基于相應(yīng)的變分參數(shù)單獨(dú)地處理第一計(jì)算量子比特和第二計(jì)算量子比特。第二變分量子電路的量子門不作用于第一計(jì)算量子比特，并且第一變分量子電路的量子門可以不作用于第二計(jì)算量子比特。隨后，相干相互作用電路可以糾纏第一計(jì)算量子比特和第二計(jì)算量子比特的狀態(tài)，并且可以處理和測量所得的糾纏量子態(tài)以確定最優(yōu)動(dòng)作。第一變分量子電路和第二變分量子電路的分離可以允許對與局部信息以及全局信息相關(guān)的信息進(jìn)行高效的訓(xùn)練和處理，其中，第一輸入特征向量和第二輸入特征向量優(yōu)選地用于對多步驟決策問題的不同動(dòng)態(tài)進(jìn)行編碼。例如，第一輸入特征向量可以將局部信息編碼到第一計(jì)算量子比特中，而第二輸入特征向量可以將全局信息編碼到第二計(jì)算量子比特中。
6、在優(yōu)選實(shí)施例中，第一輸入特征向量是基于當(dāng)前狀態(tài)，并且第二輸入特征向量是基于對于多步驟決策問題的多種不同狀態(tài)有效的場景信息。
7、當(dāng)前狀態(tài)可以編碼有局部信息，并且可以僅對多步驟決策問題的給定步驟有效，如對互連節(jié)點(diǎn)圖的一個(gè)節(jié)點(diǎn)有效。場景信息可以編碼有影響多步驟決策問題的多種狀態(tài)(特別是多步驟決策問題下的互連節(jié)點(diǎn)圖的多個(gè)節(jié)點(diǎn))和/或可能對多步驟決策問題的多個(gè)步驟有效的信息。例如，場景信息可以編碼有與多步驟決策問題的擾動(dòng)有關(guān)的信息，如擾動(dòng)的根本原因和/或起源，例如地震的空間起源、恐怖襲擊的報(bào)告位置或類似的空間信息。
8、可以基于數(shù)據(jù)重新上傳電路在變分量子電路中編碼第一輸入特征向量和第二輸入特征向量中的信息，其中，第一變分量子電路和第二變分量子電路各自可以包括變分量子門的層和編碼門的層，該變分量子門的層和編碼門的層可以以交替的方式應(yīng)用于相應(yīng)的計(jì)算量子比特。
9、第一輸入特征向量和/或第二輸入特征向量中的信息可以在編碼門的多個(gè)層上進(jìn)行編碼，其中，編碼門對可以由變分量子門的層分開，并且對輸入特征向量的值的本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種用于基于當(dāng)前狀態(tài)來確定多步驟決策問題中的最優(yōu)動(dòng)作的量子計(jì)算系統(tǒng)(20)，所述量子計(jì)算系統(tǒng)(20)包括：
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(20)，其中，所述第一輸入向量(30)基于所述當(dāng)前狀態(tài)，并且其中，所述第二輸入向量(32)基于對于所述多步驟決策問題的多種不同狀態(tài)有效的場景信息；
3.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)(20)，其中，在互連節(jié)點(diǎn)的圖上定義所述多步驟決策問題，其中，所述多步驟決策問題基于根據(jù)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)對下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的選擇；
4.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)(20)，其中，所述多步驟決策問題是導(dǎo)航問題，并且所述最優(yōu)動(dòng)作指示以通過邊互連的交叉路口為特征的地圖上的最優(yōu)行進(jìn)方向，
5.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)(20)，其中，所述量子計(jì)算系統(tǒng)(20)包括第一數(shù)量的第一計(jì)算量子比特和第二數(shù)量的第二計(jì)算量子比特，其中，所述第一數(shù)量和所述第二數(shù)量不同。
6.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)(20)，其中，所述系統(tǒng)(20)進(jìn)一步包括第三變分量子電路(40)，其中，所述第三變分量子電路(40)作用于所述相干相互作用量子電路(
7.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)(20)，其中，基于訓(xùn)練算法來訓(xùn)練所述變分參數(shù)，以基于所述當(dāng)前狀態(tài)來預(yù)測多步驟決策做出算法的所選動(dòng)作，其中，特別地基于用于導(dǎo)航節(jié)點(diǎn)圖的導(dǎo)航算法來訓(xùn)練所述變分參數(shù)，其中，所述最優(yōu)動(dòng)作基于用于最優(yōu)地導(dǎo)航所述節(jié)點(diǎn)圖的預(yù)測的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)；并且
8.一種混合量子計(jì)算系統(tǒng)(42)，包括如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的量子計(jì)算系統(tǒng)(20)，
9.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)(20，42)，其中，所述組合模塊(54)包括用于將所述第一機(jī)器學(xué)習(xí)模型和所述量子計(jì)算系統(tǒng)(20)的所述測量部分(36)的所述輸出特征向量(38)組合的第二機(jī)器學(xué)習(xí)模塊(54)。
10.如權(quán)利要求8或9所述的系統(tǒng)(20，42)，其中，所述第一機(jī)器學(xué)習(xí)模型(44)包括用于分別處理所述第一特征向量(30)和所述第二特征向量(32)的第一子模型(46)和第二子模型(48，50)，并且進(jìn)一步包括逐特征調(diào)制層(50)，其中，所述逐特征調(diào)制層(50)作用于所述第一子模型(46)的輸出(56)，并且其中，基于所述第二子模型(48，50)的輸出(56)來調(diào)制所述逐特征調(diào)制層(50)的權(quán)重和/或偏差；
11.如權(quán)利要求8至10中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)(20，42)，其中，所述系統(tǒng)(42)是基于利用為促進(jìn)所述第一機(jī)器學(xué)習(xí)模型(44)和所述量子計(jì)算系統(tǒng)(20)對所述最優(yōu)動(dòng)作的平衡貢獻(xiàn)而選擇的訓(xùn)練超參數(shù)進(jìn)行的訓(xùn)練來獲得的，特別是基于具有用于更新所述機(jī)器學(xué)習(xí)模型(44，54)的所述參數(shù)和用于更新所述量子計(jì)算系統(tǒng)(20)的所述變分參數(shù)的不同學(xué)習(xí)速率的訓(xùn)練來獲得的。
12.一種導(dǎo)航系統(tǒng)(20，42)，所述導(dǎo)航系統(tǒng)包括如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)(20，42)。
13.一種用于訓(xùn)練如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)(20，42)以基于當(dāng)前狀態(tài)預(yù)測多步驟決策問題中的最優(yōu)動(dòng)作的方法，其中，所述多步驟決策問題的條件隨時(shí)間的推移而演變，其中，所述方法包括：
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述監(jiān)督器算法基于從所述當(dāng)前狀態(tài)開始的所述多步驟問題的完全解來確定所述最優(yōu)步驟，
15.一種計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序包括機(jī)器可讀指令，當(dāng)所述計(jì)算機(jī)程序由處理單元執(zhí)行時(shí)，所述機(jī)器可讀指令使所述處理單元實(shí)施如權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)和/或?qū)嵤┤鐧?quán)利要求13或14所述的方法。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種用于基于當(dāng)前狀態(tài)來確定多步驟決策問題中的最優(yōu)動(dòng)作的量子計(jì)算系統(tǒng)(20)，所述量子計(jì)算系統(tǒng)(20)包括：
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(20)，其中，所述第一輸入向量(30)基于所述當(dāng)前狀態(tài)，并且其中，所述第二輸入向量(32)基于對于所述多步驟決策問題的多種不同狀態(tài)有效的場景信息；
3.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)(20)，其中，在互連節(jié)點(diǎn)的圖上定義所述多步驟決策問題，其中，所述多步驟決策問題基于根據(jù)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)對下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的選擇；
4.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)(20)，其中，所述多步驟決策問題是導(dǎo)航問題，并且所述最優(yōu)動(dòng)作指示以通過邊互連的交叉路口為特征的地圖上的最優(yōu)行進(jìn)方向，
5.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)(20)，其中，所述量子計(jì)算系統(tǒng)(20)包括第一數(shù)量的第一計(jì)算量子比特和第二數(shù)量的第二計(jì)算量子比特，其中，所述第一數(shù)量和所述第二數(shù)量不同。
6.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)(20)，其中，所述系統(tǒng)(20)進(jìn)一步包括第三變分量子電路(40)，其中，所述第三變分量子電路(40)作用于所述相干相互作用量子電路(34)的輸出量子態(tài)。
7.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)(20)，其中，基于訓(xùn)練算法來訓(xùn)練所述變分參數(shù)，以基于所述當(dāng)前狀態(tài)來預(yù)測多步驟決策做出算法的所選動(dòng)作，其中，特別地基于用于導(dǎo)航節(jié)點(diǎn)圖的導(dǎo)航算法來訓(xùn)練所述變分參數(shù)，其中，所述最優(yōu)動(dòng)作基于用于最優(yōu)地導(dǎo)航所述節(jié)點(diǎn)圖的預(yù)測的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)；并且
8.一種混合量子計(jì)算系統(tǒng)(42)，包括如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的量子計(jì)算系統(tǒng)(20)，
9.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)(20，42)，其中，所述組合模塊(54)包括用于將所述第一機(jī)器學(xué)習(xí)模型和所述量子計(jì)算系統(tǒng)(2...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：N·哈布里，M·科德贊加內(nèi)，A·喬希，I·托卡列夫，L·阿卜杜拉，A·庫爾金，B·基里亞庫，A·梅爾尼科夫，
申請(專利權(quán))人：特拉量子股份公司，
類型：發(fā)明
國別省市：
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