【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種糾纏玻爾茲曼機裝置及方法，其適用于解算組合優化等問題。
技術介紹
1、組合優化問題(cop)廣泛存在于許多科學研究和工程應用領域中，包括物流優化、網絡設計、資源分配、調度問題和機器學習等。組合優化的本質是從一個龐大的離散候選解集合中尋找全局最優解，由于組合優化問題通常具有高維性和復雜的約束條件，因此當問題規模增大時，求解難度呈指數級增長。這類問題往往可以約化為一個能量模型，候選解集合對應于能量相空間。在龐大和崎嶇的能量相空間中，存在許多局部最優解，任何僅依賴于局部能量梯度更新的算法最終都會大概率陷入到局部最優解中，因此解決此類問題的高效算法需要具備跨越能量勢壘，抵達全局最優的能力。
2、目前有經典的熱激發和量子隧穿兩種主流方式來跳出局部最優，前者可以在模擬退火算法(sa)中實現，核心步驟是通過metropolis規則來確定接受新解的概率：p＝min{1,exp(-δe/kbt)}，其中δe＝enew-eold表示新解和舊解之間的能量差別，kb為玻爾茲曼常數，t為系統溫度。如果δe<0，p＝1，則會絕對接受新解，否則，p＝exp(-δe/kbt)，則會通過隨機概率采樣來決定是否接受新解。當溫度t從高到低時，算法會逐漸減少對較差解的接受概率，最終收斂到全局最優解或較優解。但在實際的退火過程中，sa具有收斂速度慢和極低溫發散等問題。另一種方法是通過量子隧穿實現的，通常在量子退火機或量子計算機中應用。以量子退火機為例，其在經典的伊辛哈密頓量中額外施加一強橫向磁場hx來實現量子疊加態，在hx逐漸減小至0
3、因此，仍需要一種解算裝置和方法，其能夠低成本且高效地解算組合優化問題。
技術實現思路
1、針對上述問題，提出了本專利技術。
2、一實施例提供一種糾纏玻爾茲曼機裝置，包括：概率比特節點陣列，包括多個概率比特節點，每個概率比特節點用于以期望概率生成真隨機數；隨機采樣裝置，用于對概率比特節點陣列中的多個糾纏概率比特節點的當前狀態進行采樣；概率計算裝置，用于基于多個糾纏概率比特節點的當前狀態計算它們的糾纏概率分布；決策裝置，用于基于所述多個糾纏概率比特節點的糾纏概率分布來決定是否將所述多個糾纏概率比特節點的當前狀態改變為目標狀態；以及驅動裝置，用于響應于所述決策裝置決定將所述多個糾纏概率比特節點的當前狀態改變為目標狀態，調節所述多個糾纏概率比特節點的驅動信號以實現所述目標狀態。
3、在一示例中，所述概率比特節點包括磁性隧道結，所述磁性隧道結配置為接收臨界翻轉電壓或電流以實現高阻態和低阻態之間的隨機翻轉，并且還接收偏置電壓或電流以控制翻轉概率。
4、在一示例中，所述概率計算裝置包括：條件概率計算單元，用于基于多個糾纏概率比特節點的當前狀態計算各個糾纏概率比特節點的條件概率，所述條件概率指示所述多個糾纏概率比特節點中的一個或多個具有預定狀態的條件下，所述多個糾纏概率比特節點中的另外一個或多個具有一狀態的概率；以及糾纏概率計算單元，用于基于各個糾纏概率比特節點的條件概率計算所述多個糾纏概率比特節點處于各種狀態的糾纏概率分布。
5、在一示例中，所述糾纏概率計算單元包括：轉移矩陣計算模塊，用于基于各個糾纏概率比特節點的條件概率確定其概率疊加態，并且計算所述多個糾纏概率比特節點的概率疊加態之間的概率轉移矩陣；以及糾纏概率計算模塊，用于計算所述多個糾纏概率比特節點的概率疊加態之間的概率轉移過程達到穩定時或者達到穩定之前，所述多個糾纏概率比特節點處于各種狀態的穩態糾纏概率分布或者非穩態糾纏概率分布。
6、在一示例中，所述決策裝置配置為針對所述多個糾纏概率比特節點的各種狀態中的兩個或更多個目標狀態的穩態或非穩態糾纏概率進行歸一化，并對歸一化后的概率進行二元采樣，以決定是否將所述多個糾纏概率比特節點的當前狀態改變為一不同的目標狀態。
7、在一示例中，所述決策裝置還包括：能量計算單元，用于當所述決策裝置決定將所述多個糾纏概率比特節點的當前狀態改變為一不同的目標狀態時，計算與改變后的目標狀態對應的系統總能量；最優解確定單元，用于將所述目標狀態對應的系統總能量與之前確定的最優總能量相比較，并且當所述目標狀態對應的系統總能量優于之前確定的最優總能量時，將改變后的目標狀態確定為最優解；最優解存儲單元，用于存儲所述目標狀態作為更新后的最優解，及其對應的系統總能量作為最優總能量；以及輸出單元，用于當所確定的最優解或最優總能量滿足預定收斂條件時，輸出所述最優解和所述最優總能量，并且停止對概率比特節點陣列中的多個糾纏概率比特節點的當前狀態進行采樣的操作。
8、在一示例中，所述驅動裝置配置為，調節所述多個糾纏概率比特節點中的磁性隧道結的偏置電壓或電流，從而以與所述目標狀態對應的糾纏概率來實現所述目標狀態。
9、另一實施例提供一種糾纏玻爾茲曼機的操作方法，包括：使用概率比特節點陣列中包括的多個概率比特節點中的每個以期望概率生成真隨機數；使用隨機采樣裝置對概率比特節點陣列中的多個糾纏概率比特節點的當前狀態進行采樣；使用概率計算裝置基于多個糾纏概率比特節點的當前狀態計算它們的糾纏概率分布；使用決策裝置基于所述多個糾纏概率比特節點的糾纏概率分布來決定是否將所述多個糾纏概率比特節點的當前狀態改變為目標狀態；以及使用驅動裝置響應于所述決策裝置決定將所述多個糾纏概率比特節點的當前狀態改變為目標狀態，調節所述多個糾纏概率比特節點的驅動信號以實現所述目標狀態。
10、在一示例中，所述概率比特節點包括磁性隧道結，所述磁性隧道結配置為接收臨界翻轉電壓或電流以實現高阻態和低阻態之間的隨機翻轉，并且還接收偏置電壓或電流以控制翻轉概率。
11、在一示例中，使用概率計算裝置基于多個糾纏概率比特節點的當前狀態計算它們的糾纏概率分布包括：由條件概率計算單元基于多個糾纏概率比特節點的當前狀態計算各個糾纏概率比特節點的條件概率，所述條件概率指示所述多個糾纏概率比特節點中的一個或多個具有預定狀態的條件下，所述多個糾纏概率比特節點中的另外一個或多個具有一狀態的概率；以及由糾纏概率計算單元基于各個糾纏概率比特節點的條件概率計算所述多個糾纏概率比特節點處于各種狀態的糾纏概率分布。
12、在一示例中，由糾纏概率計算單元基于各個糾纏概率比特節點的條件概率計算所述多個糾纏概率比特節點處于各種狀態的糾纏概率分布包括：由轉移矩陣計算模塊基于各個糾纏概率比特節點的條件概率確定其概率疊加態，并且計算所述多個糾纏概率比特節點的概率疊加態之間的概率轉移矩陣；以及由糾纏概率計算模塊計算所述多個糾纏概率比特節點的概率疊加態之間的概率轉移過程達到穩定時或者達到穩定之前，所述多個糾纏概率比特節點處于各種狀態的穩態糾纏概率分布或者非穩態糾纏概率分布。
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【技術保護點】
1.一種糾纏玻爾茲曼機裝置，包括：
2.如權利要求1所述的糾纏玻爾茲曼機裝置，其中，所述概率比特節點包括磁性隧道結，所述磁性隧道結配置為接收臨界翻轉電壓或電流以實現高阻態和低阻態之間的隨機翻轉，并且還接收偏置電壓或電流以控制翻轉概率。
3.如權利要求2所述的糾纏玻爾茲曼機裝置，其中，所述概率計算裝置包括：
4.如權利要求3所述的糾纏玻爾茲曼機裝置，其中，所述糾纏概率計算單元包括：
5.如權利要求4所述的糾纏玻爾茲曼機裝置，其中，所述決策裝置配置為針對所述多個糾纏概率比特節點的各種狀態中的兩個或更多個目標狀態的穩態或非穩態糾纏概率進行歸一化，并對歸一化后的概率進行二元采樣，以決定是否將所述多個糾纏概率比特節點的當前狀態改變為一不同的目標狀態。
6.如權利要求5所述的糾纏玻爾茲曼機裝置，其中，所述決策裝置還包括：
7.如權利要求6所述的糾纏玻爾茲曼機裝置，其中，所述驅動裝置配置為，調節所述多個糾纏概率比特節點中的磁性隧道結的偏置電壓或電流，從而以與所述目標狀態對應的糾纏概率來實現所述目標狀態。
8.一
9.如權利要求8所述的方法，其中，所述概率比特節點包括磁性隧道結，所述磁性隧道結配置為接收臨界翻轉電壓或電流以實現高阻態和低阻態之間的隨機翻轉，并且還接收偏置電壓或電流以控制翻轉概率。
10.如權利要求9所述的方法，其中，使用概率計算裝置基于多個糾纏概率比特節點的當前狀態計算它們的糾纏概率分布包括：
11.如權利要求10所述的方法，其中，由糾纏概率計算單元基于各個糾纏概率比特節點的條件概率計算所述多個糾纏概率比特節點處于各種狀態的糾纏概率分布包括：
12.如權利要求11所述的方法，其中，使用決策裝置基于所述多個糾纏概率比特節點的糾纏概率分布來決定是否將所述多個糾纏概率比特節點的當前狀態改變為目標狀態包括：
13.如權利要求12所述的方法，還包括：
14.如權利要求13所述的方法，其中，使用驅動裝置響應于所述決策裝置決定將所述多個糾纏概率比特節點的當前狀態改變為目標狀態，調節所述多個糾纏概率比特節點的驅動信號以實現所述目標狀態包括：
...【技術特征摘要】
1.一種糾纏玻爾茲曼機裝置，包括：
2.如權利要求1所述的糾纏玻爾茲曼機裝置，其中，所述概率比特節點包括磁性隧道結，所述磁性隧道結配置為接收臨界翻轉電壓或電流以實現高阻態和低阻態之間的隨機翻轉，并且還接收偏置電壓或電流以控制翻轉概率。
3.如權利要求2所述的糾纏玻爾茲曼機裝置，其中，所述概率計算裝置包括：
4.如權利要求3所述的糾纏玻爾茲曼機裝置，其中，所述糾纏概率計算單元包括：
5.如權利要求4所述的糾纏玻爾茲曼機裝置，其中，所述決策裝置配置為針對所述多個糾纏概率比特節點的各種狀態中的兩個或更多個目標狀態的穩態或非穩態糾纏概率進行歸一化，并對歸一化后的概率進行二元采樣，以決定是否將所述多個糾纏概率比特節點的當前狀態改變為一不同的目標狀態。
6.如權利要求5所述的糾纏玻爾茲曼機裝置，其中，所述決策裝置還包括：
7.如權利要求6所述的糾纏玻爾茲曼機裝置，其中，所述驅動裝置配置為，調節所述多個糾纏概率比特節點中的磁性隧道結的偏置電壓或電流，從而以與所述目標狀態對應的糾纏概率來實現所述目標狀態...
【專利技術屬性】
技術研發人員：韓秀峰，萬蔡華，孔德好，徐迎千，李梟翰，
申請(專利權)人：中國科學院物理研究所，
類型：發明
國別省市：
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