[发明专利]一种基于FPGA的加速量子启发式求解方法及其装置

说明书

本发明涉及一种基于FPGA的加速量子启发式求解方法及其装置，所述方法包括：对待解决的优化问题映射到二维伊辛模型；计算所述伊辛模型在原状态的哈密顿量；更新所述二维伊辛模型的自旋子到待确认状态，计算所述伊辛模型在待确认状态的哈密顿量；计算所述伊辛模型在待确认状态的哈密顿量与在原状态的哈密顿量的差值；判决是否把所述伊辛模型从原状态转换为新状态；重复退火步骤，直到所述二维伊辛模型达到预设的结束条件，此时所述二维伊辛模型的所有自旋子状态为优化问题的最优解。本发明将FPGA具备的并行性与量子启发式算法有机结合，实现对量子启发式算法的加速，得到组合优化问题加速求解器。

技术领域

本发明属于FPGA算法领域，特别涉及一种基于FPGA的加速量子启发式求解方法及其装置。

背景技术

组合优化问题在机器学习、芯片设计和数据挖掘等关键技术和工业应用中扮演着重要角色，其数学表达通常涉及到大量随机、动态且伴有不确定性的信息。求解此类优化问题的机遇性和挑战性激发了科学界和工业界越来越多相关学者的研究兴趣和热情。以蚁群优化为代表的一类元启发式算法应运而生，如遗传算法、模拟退火算法等，即使针对维度较高的实际问题仍能给出满足条件的解，在某些特殊情况下甚至能够找到问题的最优解。但是，在提高求解精度的同时会带来不菲的代价，即求解时间的指数级增长。解决组合优化问题的最常见方法是在大型的高性能经典计算机上使用蒙特卡罗Monte Carlo算法，然而提高问题求解精度带来的高额代价仍然不可避免。

发明内容

本发明提供基于FPGA的加速量子启发式求解方法及其装置，旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。所述的基于FPGA的加速量子启发式求解方法及其装置能够将FPGA天然具备的并行性与量子启发式算法有机结合，从而实现对量子启发式算法的加速，得到组合优化问题加速求解器。

本发明的技术方案涉及一种基于FPGA的加速量子启发式求解方法，包括以下步骤：

S100、对待解决的优化问题映射到二维伊辛模型，所述二维伊辛模型包括多个自旋子，每个所述自旋子均包括各自的自旋状态，所述自旋状态为二元变量，在初始温度下初始化每个所述自旋子的自旋状态；

S200、计算所述二维伊辛模型在原状态的哈密顿量，所述原状态为当前所述二维伊辛模型中每个所述自旋子的自旋状态；

S300、更新所述二维伊辛模型的自旋子到待确认状态，计算所述二维伊辛模型在待确认状态的哈密顿量，所述待确认状态为更新后所述二维伊辛模型中每个所述自旋子的自旋状态；

S400、计算所述二维伊辛模型在待确认状态的哈密顿量与在原状态的哈密顿量的差值；

S500、根据所述二维伊辛模型在待确认状态的哈密顿量与在原状态的哈密顿量的差值，判决是否把所述二维伊辛模型从原状态转换为新状态，若所述二维伊辛模型转换为新状态，则新状态的哈密顿量为待确认状态的哈密顿量；

S600、重复步骤S300至步骤S500，直到所述二维伊辛模型达到预设的结束条件，此时所述二维伊辛模型的所有自旋子状态为优化问题的最优解。

进一步，所述步骤S200中，哈密顿量为：

其中，

E为所述二维伊辛模型的哈密顿量，N为所述二维伊辛模型包含的自旋子个数，i和j分别表示自旋子的序号，0＜i≤N，0＜j≤N，J_ij为自旋子之间的相互作用系数，h_i为第i个自旋子受到的外部磁场强度。

进一步，所述步骤S500还包括：

S510、若所述二维伊辛模型在待确认状态的哈密顿量与在原状态的哈密顿量的差值小于零，则接受所述二维伊辛模型从原状态转换为新状态；