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Adiabatisches Quantencomputing > Adiabatisches Quantencomputing > Elisabeth Lobe, Tobias Stollenwerk > 5.5.2015DLR.de Folie 1 Elisabeth Lobe, Tobias Stollenwerk.

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Präsentation zum Thema: "Adiabatisches Quantencomputing > Adiabatisches Quantencomputing > Elisabeth Lobe, Tobias Stollenwerk > 5.5.2015DLR.de Folie 1 Elisabeth Lobe, Tobias Stollenwerk."—  Präsentation transkript:

1 Adiabatisches Quantencomputing > Adiabatisches Quantencomputing > Elisabeth Lobe, Tobias Stollenwerk > DLR.de Folie 1 Elisabeth Lobe, Tobias Stollenwerk Simulations- und Softwaretechnik HPCN Workshop, Braunschweig

2 Einführung adiabatischer Quantencomputer Netzwerkoptimierung und Cliquenproblem Demonstration am Simulator > Adiabatisches Quantencomputing > Elisabeth Lobe, Tobias Stollenwerk > DLR.de Folie 2 Inhalt

3 Motivation: Quanten-Speed-Up DLR.de Folie 3> Adiabatisches Quantencomputing > Elisabeth Lobe, Tobias Stollenwerk > Diskrete Optimierung ist die Grundlage für viele Probleme:  Packungen  Partitionen NP-schwere Probleme!  Zuordnungen  Scheduling Vermutung: Quantencomputer löst diese schneller als klassische Rechner

4 Unterschiede zum klassischen Computer DLR.de Folie 4> Adiabatisches Quantencomputing > Elisabeth Lobe, Tobias Stollenwerk > Klassische BitsQuantenbits (Qubits) Elektrische Spannung 1 0

5 Kommerzieller Hersteller: D-Wave Systems Inc., Kanada Simulator- und Programmierschnittstelle „Quantum Apprentice“ Nicht zu verwechseln mit konventionellem Quantencomputer > Adiabatisches Quantencomputing > Elisabeth Lobe, Tobias Stollenwerk > DLR.de Folie 5 Was ist ein adiabatischer Quantencomputer?

6 Quelle: D-Wave Systems > Adiabatisches Quantencomputing > Elisabeth Lobe, Tobias Stollenwerk > DLR.de Folie 6 Adiabatischer Quantencomputer löst diskrete Optimierungsprobleme Zielfunktion: Gewichte Quelle: D-Wave Systems

7 > Adiabatisches Quantencomputing > Elisabeth Lobe, Tobias Stollenwerk > DLR.de Folie 7 Zielfunktion: Gewichte Stärken der Kopplungen Adiabatischer Quantencomputer löst QUBOs Quelle: D-Wave Systems Quadratic Unconstrained Binary Optimization

8 > Adiabatisches Quantencomputing > Elisabeth Lobe, Tobias Stollenwerk > DLR.de Folie 8 Funktionsweise des adiabatischen Quantencomputers Kodiere Zielfunktion in niedrigstem Energiezustand eines Quantensystems Energie Anfangssystem Zielsystem Zeit Energieniveaus schnelle Änderung

9 Funktionsweise des adiabatischen Quantencomputers DLR.de Folie 9> Adiabatisches Quantencomputing > Elisabeth Lobe, Tobias Stollenwerk > Hinreichend langsame Überführung in Zielsystem Energie Anfangssystem Zielsystem Zeit Energieniveaus Langsame Änderung bestimmt Laufzeit

10 Alle Qubits in einem Zustand zwischen 0 und 1 > Adiabatisches Quantencomputing > Elisabeth Lobe, Tobias Stollenwerk > DLR.de Folie 10 Funktionsweise des adiabatischen Quantencomputers Energieprogramm

11 Beste Lösung > Adiabatisches Quantencomputing > Elisabeth Lobe, Tobias Stollenwerk > DLR.de Folie 11 Funktionsweise des adiabatischen Quantencomputers

12 Abbildung der Hardware im Simulator DLR.de Folie 12> Adiabatisches Quantencomputing > Elisabeth Lobe, Tobias Stollenwerk >

13 Simulator Quantum Apprentice DLR.de Folie 13> Adiabatisches Quantencomputing > Elisabeth Lobe, Tobias Stollenwerk > Darstellung im D-Wave-Simulator „Quantum Apprentice“

14 Einschränkungen durch Chipstruktur DLR.de Folie 14> Adiabatisches Quantencomputing > Elisabeth Lobe, Tobias Stollenwerk >

15 Beispiel für 6 Knoten: Beispiel für 7 Knoten: Darstellung vollständiger Graphen DLR.de Folie 15> Adiabatisches Quantencomputing > Elisabeth Lobe, Tobias Stollenwerk >

16 Beispielgraph DLR.de Folie 16> Adiabatisches Quantencomputing > Elisabeth Lobe, Tobias Stollenwerk >

17 Beispielgraph DLR.de Folie 17> Adiabatisches Quantencomputing > Elisabeth Lobe, Tobias Stollenwerk >

18 Beispiel: Cliquenproblem DLR.de Folie 18> Adiabatisches Quantencomputing > Elisabeth Lobe, Tobias Stollenwerk > Finde größten vollständigen Teilgraph (Clique) Eigenschaften und Strukturen erkennen Anwendung: z.B. Facebook: Finde maximale Gruppe von Freunden

19 Cliquenproblem auf Quantencomputer DLR.de Folie 19> Adiabatisches Quantencomputing > Elisabeth Lobe, Tobias Stollenwerk > als quadratisches 0/1-Minimierungsproblem formulieren: -Maximale Knotenzahl -Kanten des Graphs ohne Einschränkungen aktivierbar -Alle anderen Kanten dürfen nie benutzt werden → Knotengewichte negativ, z.B. -1 → Stärke 0 → Hohe Strafe: Stärke +10

20 Cliquenproblem auf Quantencomputer DLR.de Folie 20> Adiabatisches Quantencomputing > Elisabeth Lobe, Tobias Stollenwerk > Komplementgraph

21 DLR.de Folie 21> Adiabatisches Quantencomputing > Elisabeth Lobe, Tobias Stollenwerk > Realisierung auf D-Wave-Hardware → Bei 10 Knoten: 1 logischer Knoten = 4 Qubits → Gewicht des logischen Knoten = -1 = Summe über allen Gewichten und Stärken im Qubitstrang → Kopplung zwischen den Qubits ist wichtig → negative Stärken Cliquenproblem auf Quantencomputer

22 Cliquenproblem auf Quantencomputer DLR.de Folie 22> Adiabatisches Quantencomputing > Elisabeth Lobe, Tobias Stollenwerk >

23 DLR.de Folie 23> Adiabatisches Quantencomputing > Elisabeth Lobe, Tobias Stollenwerk > nächstkleinere Cliquen finden: gefundene Kanten entfernen (nur solche, deren Knoten keinen gemeinsamen Nachbarn haben) Cliquenproblem auf Quantencomputer

24 Implementierung mit weniger Qubits möglich! → 15 Qubits > Adiabatisches Quantencomputing > Elisabeth Lobe, Tobias Stollenwerk > DLR.de Folie 24 Nutzen der Lösung für Netzwerkoptimierung

25 Netzwerkminimierung DLR.de Folie 25> Adiabatisches Quantencomputing > Elisabeth Lobe, Tobias Stollenwerk >

26 Ausblick DLR.de Folie 26> Adiabatisches Quantencomputing > Elisabeth Lobe, Tobias Stollenwerk > Scheduling-Probleme für Satellitenaufgabenplanung lösen Partitionieren des Cliquen-Problems zum Lösen komplexerer Probleme in Kombination mit klassischen Rechnern Machine Learning, Pattern Matching

27 Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit! DLR.de Folie 27 Fragen? Tobias Stollenwerk Elisabeth Lobe Simulations- und Softwaretechnik Abt. Verteilte Systeme und Komponentensoftware > Adiabatisches Quantencomputing > Elisabeth Lobe, Tobias Stollenwerk >


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