组合优化问题可以通过启发式算法（例如模拟退火（SA））来解决，该算法旨在通过热搜索空间在大型搜索空间中找到全局最小值溶液。该算法通过马尔可夫链蒙特卡洛技术生成新的解决方案。后者可能会导致严重的局限性，例如缓慢的收敛性和在较小温度下保持在同一局部搜索空间内的趋势。为了克服这些缺点，我们使用了变异经典退火（VCA）框架，该框架将自回归复发性神经网络（RNN）与传统退火相结合来彼此独立于样品解决方案。在本文中，我们证明了使用VCA作为解决现实世界优化问题的方法的潜力。与SA相比，我们探索了VCA的性能，以解决三个流行的优化问题：最大切割问题（最大切割），护士调度问题（NSP）和旅行推销员问题（TSP）。对于所有三个问题，我们发现VCA在渐近极限中的平均表现要优于SA。有趣的是，我们达到了TSP最高可达256美元的城市的大型系统尺寸。我们得出的结论是，在最佳情况下，当SA无法找到最佳解决方案时，VCA可以作为一个很好的选择。
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经常性的神经网络（RNN）是一类神经网络，这些神经网络已从人工智能的范式中出现，并在自然语言处理领域实现了许多有趣的进步。有趣的是，这些体系结构被证明是强大的Ansatze，可近似量子系统的基态。在这里，我们建立了[Phys的结果。Rev. Research 2，023358（2020）]并在二维中构建了更强大的RNN波函数ANSATZ。我们使用对称性和退火来获得对二维（2D）海森贝格模型的基态能量的准确估计，在方形晶格和三角形晶格上。我们表明，对于三角形晶格上的大于或等于$ 14 \ $ 14 $的系统尺寸，我们的方法优于密度矩阵ren量量量量标准（DMRG）。
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距离措施为机器学习和模式识别中的许多流行算法提供了基础。根据算法正在处理的数据类型，可以使用不同的距离概念。对于图形数据，重要概念是图表编辑距离（GED），从而在使它们相同所需的操作方面测量两个图之间的两个图之间的相似度。由于计算GED的复杂性与NP难题相同，因此考虑近似解决方案是合理的。在本文中，我们向计算GED的两个量子方法的比较研究：量子退火和变分量子算法，其分别是指当前可用的两种类型的量子硬件，即量子退火器和基于栅极的量子计算机。考虑到当前嘈杂的中间级量子计算机的状态，我们基于这些量子算法性能的原理上的原理测试研究。
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近似组合优化已成为量子计算机最有前途的应用领域之一，特别是近期的应用领域之一。在这项工作中，我们专注于求解最大切割问题的量子近似优化算法（QAOA）。具体而言，我们解决了QAOA中的两个问题，如何选择初始参数，以及如何随后培训参数以找到最佳解决方案。对于前者来说，我们将图形神经网络（GNN）作为QAOA参数的初始化例程，在热启动技术中添加到文献。我们不仅显示了GNN方法概括，而且不仅可以增加图形尺寸，还可以增加图形大小，这是其他热启动技术无法使用的功能。为了培训QAOA，我们测试了几个优化员以获得MaxCut问题。这些包括在文献中提出的量子感知/不可知论者，我们还包括机器学习技术，如加强和元学习。通过纳入这些初始化和优化工具包，我们展示了如何培训QAOA作为端到端可分散的管道。
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我们解决了与行业相关的尺度上的机器人轨迹计划问题。我们的端到端解决方案将高度通用的随机键算法与模型堆叠和集成技术集成在一起，以及用于溶液细化的路径重新链接。核心优化模块由偏置的随机基遗传算法组成。通过与问题依赖性和问题相关模块的独特分离，我们通过约束的天然编码实现了有效的问题表示。我们表明，对替代算法范式（例如模拟退火）的概括是直接的。我们为行业规模的数据集提供数值基准结果。发现我们的方法始终超过贪婪的基线结果。为了评估当今量子硬件的功能，我们使用Amazon Braket上的QBSOLV在量子退火硬件上获得的经典方法进行了补充。最后，我们展示了如何将后者集成到我们的较大管道中，从而为问题提供了量子准备的混合解决方案。
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我们展示了如何使用图形神经网络来解决规范的图形着色问题。我们将颜色框架为多类节点分类问题，并基于统计物理Potts模型利用无监督的培训策略。对其他多级问题（例如社区检测，数据聚类和最低集团封面问题）的概括是简单的。我们提供数值基准结果，并通过端到端的应用程序说明了我们的方法，用于在全面的编码程序框架内实现现实世界调度案例。我们的优化方法在PAR或优于现有求解器上执行，并能够扩展到数百万变量的问题。
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我们将数字化量子退火（QA）和量子近似优化算法（QAOA）应用于人工神经网络中监督学习的范式任务：二元切割的突触权优化。在与MaxCut常用的Qoaa应用程序方差，或对Quantum Spin-Chains接地状态准备，经典Hamiltonian的特征在于高度非局部多自旋相互作用。然而，我们为QAOA参数提供最佳顺利解决的证据，这些参数可在同一问题的典型实例之间转移，并且我们证明了Qaoa在传统Qa上的增强性能。我们还研究了QAOA优化景观几何形状在这个问题中的作用，表明QA中遇到的间隙闭合转变的不利影响也对我们实施QAOA实施的表现负面影响。
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FIG. 1. Schematic diagram of a Variational Quantum Algorithm (VQA). The inputs to a VQA are: a cost function C(θ), with θ a set of parameters that encodes the solution to the problem, an ansatz whose parameters are trained to minimize the cost, and (possibly) a set of training data {ρ k } used during the optimization. Here, the cost can often be expressed in the form in Eq. ( 3), for some set of functions {f k }. Also, the ansatz is shown as a parameterized quantum circuit (on the left), which is analogous to a neural network (also shown schematically on the right). At each iteration of the loop one uses a quantum computer to efficiently estimate the cost (or its gradients). This information is fed into a classical computer that leverages the power of optimizers to navigate the cost landscape C(θ) and solve the optimization problem in Eq. ( 1). Once a termination condition is met, the VQA outputs an estimate of the solution to the problem. The form of the output depends on the precise task at hand. The red box indicates some of the most common types of outputs.
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优化在离散变量上的高度复杂的成本/能源功能是不同科学学科和行业的许多公开问题的核心。一个主要障碍是在硬实例中的某些变量子集之间的出现，导致临界减慢或集体冻结了已知的随机本地搜索策略。通常需要指数计算工作来解冻这种变量，并探索配置空间的其他看不见的区域。在这里，我们通过开发自适应梯度的策略来介绍一个量子启发的非本球非识别蒙特卡罗（NMC）算法，可以有效地学习成本函数的关键实例的几何特征。该信息随行使用，以构造空间不均匀的热波动，用于以各种长度尺度集体未填充变量，规避昂贵的勘探与开发权衡。我们将算法应用于两个最具挑战性的组合优化问题：随机k可满足（K-SAT）附近计算阶段转换和二次分配问题（QAP）。我们在专业的确定性求解器和通用随机求解器上观察到显着的加速和鲁棒性。特别是，对于90％的随机4-SAT实例，我们发现了最佳专用确定性算法无法访问的解决方案，该算法（SP）具有最强的10％实例的解决方案质量的大小提高。我们还通过最先进的通用随机求解器（APT）显示出在最先进的通用随机求解器（APT）上的时间到溶液的两个数量级改善。
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仪表不变性在量子力学从冷凝物物理到高能物理中起着至关重要的作用。我们开发了一种构建量子晶格模型构建仪表不变自回归神经网络的方法。这些网络可以有效地采样和明确地遵循仪表对称性。我们为地面状态和各种模型的实时动态进行了各种优化我们的仪表不变自回归神经网络。我们精确地代表了2D和3D转矩代码的地面和激励状态，以及X-Cube Fracton模型。我们模拟$ \ text {u（1）} $格式理论的量子链路模型的动态和Gound状态，获取2d $ \ mathbb {z} _2 $仪表理论的相图，确定相位过渡和$ \文本的中心收费{su（2）} _ 3 $ anyonic链，也计算SU（2）不变的Heisenberg旋转链的地面状态能量。我们的方法提供了强大的工具，可探索凝聚物物理，高能量物理和量子信息科学。
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组合优化的硬度（CO）问题阻碍收集用于监督学习的解决方案。但是，由于缺乏标记的数据，因此很难学习CO问题的神经网络，因为训练很容易被捕获到本地Optima。在这项工作中，我们为CO问题提出了一个简单但有效的退火培训框架。特别是，我们将CO问题转化为公正的基于能量的模型（EBM）。我们仔细选择了罚款条款，以使EBM尽可能平滑。然后，我们训练图形神经网络以近似EBM。为了防止训练在初始化附近被卡在本地Optima上，我们引入了退火损失功能。实验评估表明，我们的退火训练框架获得了实质性改进。在四种类型的CO问题中，我们的方法在合成图和现实世界图上都比其他无监督神经方法更好地达到了性能。
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This paper surveys the recent attempts, both from the machine learning and operations research communities, at leveraging machine learning to solve combinatorial optimization problems. Given the hard nature of these problems, state-of-the-art algorithms rely on handcrafted heuristics for making decisions that are otherwise too expensive to compute or mathematically not well defined. Thus, machine learning looks like a natural candidate to make such decisions in a more principled and optimized way. We advocate for pushing further the integration of machine learning and combinatorial optimization and detail a methodology to do so. A main point of the paper is seeing generic optimization problems as data points and inquiring what is the relevant distribution of problems to use for learning on a given task.
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近年来，变异量子算法（例如量子近似优化算法（QAOA））越来越受欢迎，因为它们提供了使用NISQ设备来解决硬组合优化问题的希望。但是，众所周知，在低深度，QAOA的某些位置限制限制了其性能。为了超越这些局限性，提出了QAOA的非本地变体，即递归QAOA（RQAOA），以提高近似溶液的质量。 RQAOA的研究比QAOA的研究较少，例如，对于哪种情况，它可能无法提供高质量的解决方案。但是，由于我们正在解决$ \ mathsf {np} $ - 硬问题（特别是Ising旋转模型），因此预计RQAOA确实会失败，这提出了设计更好的组合优化量子算法的问题。本着这种精神，我们识别和分析了RQAOA失败的情况，并基于此，提出了增强的学习增强的RQAOA变体（RL-RQAOA），从而改善了RQAOA。我们表明，RL-RQAOA的性能改善了RQAOA：RL-RQAOA在这些识别的实例中，RQAOA表现不佳，并且在RQAOA几乎是最佳的情况下也表现出色。我们的工作体现了增强学习与量子（启发）优化之间的潜在有益的协同作用，这是针对硬性问题的新的，甚至更好的启发式方法。
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我们呈现Quantumsync，第一个量子算法，用于在计算机视觉上下文中解决同步问题。特别是，我们专注于置换同步，涉及在离散变量中解决非凸优化问题。首先，首先将同步分为二次无约会二进制优化问题（QUBO）。虽然这种制定尊重问题的二进制本质，但确保结果是一系列排列需要额外的护理。因此，我们：（i）展示如何将置换约束插入QUBO问题，并且（ii）解决了在绝热量子计算机D波的当前产生的受限Qubo问题。由于Quantum退火，我们保证了全球最优能力，同时采样能量景观以产生信心估计。我们的概念验证在绝热D波计算机上实现展示量子机器提供了解决普遍又困难的同步问题的有希望的方法。
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由于希尔伯特空间的指数增长，模拟古典计算机上的量子数量是一个具有挑战性的问题。最近被引入了人工神经网络作为近似量子 - 许多身体状态的新工具。我们基准限制Boltzmann机器量子状态和不同浅层神经自动汇流量子状态的变分力，以模拟不可排益量子依赖链的全局淬火动态。我们发现在给定精度以给定精度表示量子状态所需的参数的数量呈指数增长。增长率仅受到广泛不同设计选择的网络架构的略微影响：浅层和深度网络，小型和大型过滤尺寸，扩张和正常卷积，有和没有快捷连接。
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我们介绍了Netket的版本3，机器学习工具箱适用于许多身体量子物理学。Netket围绕神经网络量子状态构建，并为其评估和优化提供有效的算法。这个新版本是基于JAX的顶部，一个用于Python编程语言的可差分编程和加速的线性代数框架。最重要的新功能是使用机器学习框架的简明符号来定义纯Python代码中的任意神经网络ANS \“凝固的可能性，这允许立即编译以及渐变的隐式生成自动化。Netket 3还带来了GPU和TPU加速器的支持，对离散对称组的高级支持，块以缩放多程度的自由度，Quantum动态应用程序的驱动程序，以及改进的模块化，允许用户仅使用部分工具箱是他们自己代码的基础。
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黑盒优化在许多应用中具有潜力，例如在实验设计中的机器学习和优化中的超参数优化。 ISING机器对二进制优化问题很有用，因为变量可以由Ising机器的单个二进制变量表示。但是，使用ISING机器的常规方法无法处理具有非二进制值的黑框优化问题。为了克服这一限制，我们通过与三种不同的整数编码方法合作，通过使用ISING/退火计算机和分解计算机来提出一种用于整数变量的黑盒优化问题的方法。使用不同的编码方法，使用一个简单的问题来计算最稳定状态下的氢分子能量，以不同的编码方法进行数值评估。提出的方法可以使用任何整数编码方法来计算能量。但是，单次编码对于小尺寸的问题很有用。
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2021-02-18
组合优化是运营研究和计算机科学领域的一个公认领域。直到最近，它的方法一直集中在孤立地解决问题实例，而忽略了它们通常源于实践中的相关数据分布。但是，近年来，人们对使用机器学习，尤其是图形神经网络（GNN）的兴趣激增，作为组合任务的关键构件，直接作为求解器或通过增强确切的求解器。GNN的电感偏差有效地编码了组合和关系输入，因为它们对排列和对输入稀疏性的意识的不变性。本文介绍了对这个新兴领域的最新主要进步的概念回顾，旨在优化和机器学习研究人员。
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用于图形组合优化问题的神经网络溶剂的端到端培训，例如旅行销售人员问题（TSP）最近看到了感兴趣的激增，但在几百节节点的图表中保持棘手和效率低下。虽然最先进的学习驱动的方法对于TSP在培训的古典索引时与古典求解器密切相关，但它们无法通过实际尺度的实际情况概括到更大的情况。这项工作提出了一个端到端的神经组合优化流水线，统一几个卷纸，以确定促进比在训练中看到的实例的概括的归纳偏差，模型架构和学习算法。我们的受控实验提供了第一个原则上调查这种零拍摄的概括，揭示了超越训练数据的推断需要重新思考从网络层和学习范例到评估协议的神经组合优化流水线。此外，我们分析了深入学习的最近进步，通过管道的镜头路由问题，并提供新的方向，以刺激未来的研究。
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我们证明，任何矩阵产品状态（MP）可以通过线性内存更新的复发神经网络（RNN）来精确表示。我们使用多线性内存更新将此RNN体系结构推广到2D晶格。它支持在多项式时间内的完美采样和波功能评估，并且可以代表纠缠熵的区域定律。数值证据表明，与MPS相比，它可以使用键尺寸较低的键尺寸编码波函数，其精度可以通过增加键尺寸来系统地改善。
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