1Kemiallisen fysiikan teoriaryhmä, kemian laitos, Toronton yliopisto, Kanada.
2Tietojenkäsittelytieteen laitos, Toronton yliopisto, Kanada.
3Barcelonan supertietokonekeskus, Barcelona, Espanja
4Vector Institute for Artificial Intelligence, Toronto, Kanada.
5Max Planck Institute for the Science of Light (MPL), Erlangen, Saksa
6Canadian Institute for Advanced Research (CIFAR) Lebovic Fellow, Toronto, Kanada
Onko tämä artikkeli mielenkiintoinen vai haluatko keskustella? Scite tai jätä kommentti SciRate.
Abstrakti
Logic Artificial Intelligence (AI) on tekoälyn alakenttä, jossa muuttujat voivat ottaa kaksi määritettyä argumenttia, True tai False, ja ne on järjestetty lauseisiin, jotka noudattavat muodollisen logiikan sääntöjä. Useita ongelmia, jotka ulottuvat fyysisistä järjestelmistä matemaattisiin oletuksiin, voidaan koodata näihin lauseisiin ja ratkaista tarkistamalla niiden tyydyttävyys (SAT). Toisin kuin koneoppimismenetelmissä, joissa tulokset voivat olla likiarvoja tai paikallisia minimejä, Logic AI tarjoaa muodollisia ja matemaattisesti tarkkoja ratkaisuja näihin ongelmiin. Tässä työssä ehdotamme logiikan tekoälyn käyttöä optisten kvanttikokeiden suunnittelussa. Näytämme kuinka SAT-ongelmaksi voidaan kartoittaa mielivaltaisen kvanttitilan kokeellinen valmistelu ja ehdottaa logiikkaan perustuvaa algoritmia, Klausia, jotta löydettäisiin tulkittavissa oleva esitys sen luovasta fotonisesta asetelmasta. Vertailemme Klausin suorituskykyä huippuluokan algoritmiin tätä tarkoitusta varten jatkuvan optimoinnin perusteella. Yhdistelemme myös logiikka- ja numeerisia strategioita havaitaksemme, että loogisen tekoälyn käyttö parantaa merkittävästi tämän ongelman ratkaisua ja tasoittaa tietä muodollisempien lähestymistapojen kehittämiseen kvanttifysiikan kokeiden yhteydessä.
Suositeltu kuva: Kaavio Klaus-algoritmin työnkulusta.
Suosittu yhteenveto
Fysikaalisista syistä matemaattisiin oletuksiin ulottuvat ongelmat voidaan ratkaista Logic AI:lla. Tämä työ on ensimmäinen sovellus kvanttikokeiden suunnittelussa.
► BibTeX-tiedot
► Viitteet
[1] John McCarthy et ai. "Ohjelmia terveellä järjellä". RLE ja MIT laskentakeskus. (1960).
[2] Nils J Nilsson. "Todennäköisyyslogiikka tarkasteltu uudelleen". Tekoäly 59, 39–42 (1994).
https://doi.org/10.1016/0004-3702(93)90167-A
[3] Adnan Darwiche. "Kolme modernia roolia logiikalle in ai". Tietokantajärjestelmien periaatteita käsittelevän 39. ACM SIGMOD-SIGACT-SIGAI -symposiumin julkaisut Sivu 229–243 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1145 / +3375395.3389131
[4] Johannes K Fichte, Markus Hecher ja Stefan Szider. "Aikahyppyhaaste sat-ratkaisulle". International Conference on Principles and Practice of Constraint Programming Sivut 267–285 (2020).
https://doi.org/10.1007/978-3-030-58475-7_16
[5] Marijn JH Heule, Oliver Kullmann ja Victor W Marek. "Boolean pythagoran kolminkertaistamisongelman ratkaiseminen ja varmistaminen kuutio-ja-valloittamalla". International Conference on Theory and Applications of Satisfiability Testing Sivut 228–245 (2016).
https://doi.org/10.1007/978-3-319-40970-2_15
[6] Joshua Brakensiek, Marijn Heule, John Mackey ja David Narváez. "Kellerin arvelun ratkaisu". Kansainvälinen yhteinen automatisoitua päättelyä käsittelevä konferenssi, sivut 48–65 (2020).
https://doi.org/10.1007/978-3-030-51074-9_4
[7] Aubrey DNJ de Grey. "Koneen kromaattinen numero on vähintään 5" (2018). arXiv:1804.02385.
arXiv: 1804.02385
[8] Craig S Kaplan. "Merkitsemättömien polyformien Heesch-luvut" (2021). arXiv:2105.09438.
arXiv: 2105.09438
[9] Emre Yolcu, Scott Aaronson ja Marijn JH Heule. "Automaattinen lähestymistapa collatz-arvaukseen" (2021). arXiv:2105.14697.
arXiv: 2105.14697
[10] Evelyn Lamb. "Kahdensadan teratavun matemaattinen todiste on kaikkien aikojen suurin." Nature News 534, 17 (2016).
https:///doi.org/10.1038/nature.2016.19990
[11] Robert Wille, Nils Przigoda ja Rolf Drechsler. "Kompakti ja tehokas satelliittikoodaus kvanttipiireille". 2013 AfriconPages 1–6 (2013).
https:///doi.org/10.1109/AFRCON.2013.6757630
[12] Robert Wille, Lukas Burgholzer ja Alwin Zulehner. "Kvanttipiirien yhdistäminen ibm qx -arkkitehtuureihin käyttämällä mahdollisimman vähän swap- ja h-toimintoja". 2019 56th ACM/IEEE Design Automation Conference (DAC) sivut 1–6 (2019). arXiv:1907.02026.
https:///doi.org/10.48550/arXiv.1907.02026
arXiv: 1907.02026
[13] Giulia Meuli, Mathias Soeken ja Giovanni De Micheli. "Satelliittipohjainen ${$CNOT, T$}$ kvanttipiirisynteesi". International Conference on Reversible Computation Sivut 175–188 (2018).
https://doi.org/10.1007/978-3-319-99498-7_12
[14] Mingsheng Ying ja Zhengfeng Ji. "Kvanttipiirien symbolinen verifiointi" (2020). arXiv:2010.03032.
arXiv: 2010.03032
[15] Mario Krenn, Jakob Kottmann, Nora Tischler ja Alan Aspuru-Guzik. "Konseptuaalinen ymmärrys kvanttioptisten kokeiden tehokkaan automatisoidun suunnittelun avulla". Physical Review X 11, 031044 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.11.031044
[16] Sara Bartolucci, Patrick Birchall, Hector Bombin, Hugo Cable, Chris Dawson, Mercedes Gimeno-Segovia, Eric Johnston, Konrad Kieling, Naomi Nickerson, Mihir Pant jne. "Fuusiopohjainen kvanttilaskenta" (2021). arXiv:2101.09310.
arXiv: 2101.09310
[17] Mario Krenn, Armin Hochrainer, Mayukh Lahiri ja Anton Zeilinger. "Ketkeily polun identiteetin mukaan". Phys. Rev. Lett. 118, 080401 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.118.080401
[18] Mario Krenn, Xuemei Gu ja Anton Zeilinger. "Kvanttikokeet ja -kaaviot: Monen osapuolen tilat täydellisen yhteensopivuuden koherentteina superpositioina". Phys. Rev. Lett. 119, 240403 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.240403
[19] Xuemei Gu, Manuel Erhard, Anton Zeilinger ja Mario Krenn. "Kvanttikokeet ja -kaaviot ii: Kvanttihäiriöt, laskenta ja tilan luominen". Proceedings of the National Academy of Sciences 116, 4147–4155 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1073 / pnas.1815884116
[20] Xuemei Gu, Lijun Chen, Anton Zeilinger ja Mario Krenn. "Kvanttikokeet ja -kaaviot. iii. korkeaulotteinen ja monihiukkanen sotkeutuminen”. Phys. Rev. A 99, 032338 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.032338
[21] Mario Krenn, Manuel Erhard ja Anton Zeilinger. "Tietokoneen inspiroimat kvanttikokeet". Nature Reviews Physics 2, 649–661 (2020).
https://doi.org/10.1038/s42254-020-0230-4
[22] Jian-Wei Pan, Zeng-Bing Chen, Chao-Yang Lu, Harald Weinfurter, Anton Zeilinger ja Marek Żukowski. "Monifotonien takertuminen ja interferometria". Rev. Mod. Phys. 84, 777–838 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.84.777
[23] Dustin Mixon. "Kvanttifysiikan kuvaajan väritysongelma (palkinnoilla!)". https:///bit.ly/3fPFK1U. Käytetty: 2021-08-09.
https:///bit.ly/3fPFK1U
[24] Mario Krenn, Xuemei Gu ja Daniel Soltész. "Kvanttifysiikan inspiroimia kysymyksiä täydellisen vastaavuuden rakenteesta". Proceedings of 2nd Croatian Combinatorial Days (2019).
https:///doi.org/10.5592/CO/CCD.2018.05
[25] Ilja Bogdanov. "Ratkaisu kaavioihin, joissa on vain hajanaiset täydelliset vastaavuudet". https:///bit.ly/3iAu6K1. Käytetty: 2021-08-09.
https:///bit.ly/3iAu6K1
[26] Mario Krenn. "Kombinatorinen yhtälöjärjestelmä, jossa on eksponentiaalisesti monta yhtälöä neliöllisissä monissa muuttujissa". https:///bit.ly/3lOUMJ9. Käytetty: 2021-08-09.
https:///bit.ly/3lOUMJ9
[27] Marcus Huber ja Julio I. de Vicente. "Moniulotteisen takertumisen rakenne moniosaisissa järjestelmissä". Phys. Rev. Lett. 110, 030501 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.110.030501
[28] Robert Raussendorf, Daniel E. Browne ja Hans J. Briegel. "Mittaukseen perustuva kvanttilaskenta klusterin tiloissa". Phys. Rev. A 68, 022312 (2003).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.68.022312
[29] Maria Schuld, Ilya Sinayskiy ja Francesco Petruccione. "Ennustus lineaarisella regressiolla kvanttitietokoneella". Phys. Rev. A 94, 022342 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.94.022342
[30] Aram W. Harrow, Avinatan Hassidim ja Seth Lloyd. "Kvanttialgoritmi lineaarisille yhtälöjärjestelmille". Phys. Rev. Lett. 103, 150502 2009 (XNUMX).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.103.150502
[31] Jianwei Wang, Stefano Paesani, Yunhong Ding, Raffaele Santagati, Paul Skrzypczyk, Alexia Salavrakos, Jordi Tura, Remigiusz Augusiak, Laura Mančinska, Davide Bacco jne. "Moniulotteinen kvanttisekoitus laajamittaisella integroidulla optiikalla". Science 360, 285–291 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.aar7053
[32] Stefano Paesani, Jacob F. F. Bulmer, Alex E. Jones, Raffaele Santagati ja Anthony Laing. "Kaavio yleismaailmalliseen korkeadimensionaaliseen kvanttilaskentaan lineaarisella optiikalla". Phys. Rev. Lett. 126, 230504 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.126.230504
[33] Hui Wang, Jian Qin, Xing Ding, Ming-Cheng Chen, Si Chen, Xiang You, Yu-Ming He, Xiao Jiang, L. You, Z. Wang, C. Schneider, Jelmer J. Renema, Sven Höfling, Chao- Yang Lu ja Jian-Wei Pan. "Bosonin näytteenotto 20 sisääntulofotonilla ja 60-moodin interferometrillä $1{0}^{14}$-ulotteisessa Hilbert-avaruudessa". Phys. Rev. Lett. 123, 250503 2019 (XNUMX).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.123.250503
[34] Jianwei Wang, Fabio Sciarrino, Anthony Laing ja Mark G Thompson. "Integroidut fotoniset kvanttitekniikat". Nature Photonics 14, 273–284 (2020).
https://doi.org/10.1038/s41566-019-0532-1
[35] Max Tillmann, Si-Hui Tan, Sarah E. Stoeckl, Barry C. Sanders, Hubert de Guise, René Heilmann, Stefan Nolte, Alexander Szameit ja Philip Walther. "Yleinen monifotoninen kvanttihäiriö". Phys. Rev. X 5, 041015 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.5.041015
[36] Han-Sen Zhong, Hui Wang, Yu-Hao Deng, Ming-Cheng Chen, Li-Chao Peng, Yi-Han Luo, Jian Qin, Dian Wu, Xing Ding, Yi Hu jne. "Kvanttilaskennallinen etu fotoneilla". Science 370, 1460–1463 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.abe8770
[37] Demian A. Battaglia, Giuseppe E. Santoro ja Erio Tosatti. "Optimointi kvanttihehkutuksella: Oppitunnit kovista tyydyttävyysongelmista". Phys. Rev. E 71, 066707 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.71.066707
[38] Juexiao Su, Tianheng Tu ja Lei He. "Kvanttihehkutusmenetelmä Boolen tyydyttävyysongelmaan". 2016 53nd ACM/EDAC/IEEE Design Automation Conference (DAC) sivut 1–6 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1145 / +2897937.2897973
[39] Alberto Leporati ja Sara Felloni. "Kolme "kvantti"-algoritmia ratkaista 3-sat. Theoretical Computer Science 372, 218–241 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.tcs.2006.11.026
[40] Edward Farhi, Jeffrey Goldstone ja Sam Gutmann. "Kvanttilikimääräinen optimointialgoritmi" (2014). arXiv:1411.4028.
arXiv: 1411.4028
[41] Artur García-Sáez ja José I Latorre. "Tarkka tensoriverkko 3sat-ongelmalle". Quantum Information & Computation 12, 283–292 (2012).
https: / / doi.org/ 10.5555 / +2230976.2230984
[42] Jingyi Xu, Zilu Zhang, Tal Friedman, Yitao Liang ja Guy Broeck. "Semanttinen menetystoiminto syvään oppimiseen symbolisen tiedon kanssa". Kansainvälinen koneoppimiskonferenssi Sivut 5502–5511 (2018). URL-osoite: procedure.mlr.press/v80/xu18h.
https:///proceedings.mlr.press/v80/xu18h
[43] Grigori S Tseitin. "Johdannan monimutkaisuudesta lauselaskennassa". Päättelyn automatisointi Sivut 466–483 (1983).
https://doi.org/10.1007/978-3-642-81955-1_28
[44] Martin Davis, George Logemann ja Donald Loveland. "Koneohjelma lauseiden todistamiseen". Communications of the ACM 5, 394–397 (1962).
https: / / doi.org/ 10.1145 / +368273.368557
[45] Niklas Eén ja Niklas Sörensson. "Laajentuva SAT-ratkaisin". Kansainvälinen konferenssi tyydyttävyystestauksen teoriasta ja sovelluksista Sivut 502–518 (2003).
https://doi.org/10.1007/978-3-540-24605-3_37
[46] Niklas Eén ja Niklas Sörensson. "MiniSAT-sivu". http:///minisat.se/Main.html (2021). Käytetty: 2021-08-05.
http:///minisat.se/Main.html
Viitattu
[1] Anna Dawid, Julian Arnold, Borja Requena, Alexander Gresch, Marcin Płodzień, Kaelan Donatella, Kim A. Nicoli, Paolo Stornati, Rouven Koch, Miriam Büttner, Robert Okuła, Gorka Muñoz-Gil, Rodrigo A. Vargas-Hernández, Alba Cervera-Lierta, Juan Carrasquilla, Vedran Dunjko, Marylou Gabrié, Patrick Huembeli, Evert van Nieuwenburg, Filippo Vicentini, Lei Wang, Sebastian J. Wetzel, Giuseppe Carleo, Eliška Greplová, Roman Krems, Florian Marquardt, Michał Tomza, Maciej Lewenstein ja Alexandre Dauphin, "Koneoppimisen nykyaikaiset sovellukset kvanttitieteissä", arXiv: 2204.04198.
[2] Mario Krenn, Jonas Landgraf, Thomas Foesel ja Florian Marquardt, "Artificial Intelligence and Machine Learning for Quantum Technologies", arXiv: 2208.03836.
[3] Moshe Y. Vardi ja Zhiwei Zhang, "Quantum-Inspired Perfect Matching under Vertex-Color Constraints", arXiv: 2209.13063.
[4] L. Sunil Chandran ja Rishikesh Gajjala, "Perfect Matchings and Quantum Physics: Progress on Krenn's Conjecture", arXiv: 2202.05562.
Yllä olevat sitaatit ovat peräisin SAO: n ja NASA: n mainokset (viimeksi päivitetty onnistuneesti 2022-10-15 14:52:54). Lista voi olla puutteellinen, koska kaikki julkaisijat eivät tarjoa sopivia ja täydellisiä viittaustietoja.
On Crossrefin siteerattu palvelu tietoja teosten viittaamisesta ei löytynyt (viimeinen yritys 2022-10-15 14:52:52).
Tämä kirja on julkaistu Quantum - lehdessä Creative Commons Nimeäminen 4.0 Kansainvälinen (CC BY 4.0) lisenssin. Tekijänoikeudet säilyvät alkuperäisillä tekijänoikeuksien haltijoilla, kuten tekijöillä tai heidän instituutioillaan.
