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物理学可以为棘手的计算问题带来更快的解

发布时间:2019-06-12 01:40 来源:未知 编辑:admin

  众所周知的计算问题旨在为旅行推销员找到访问许多城市中的客户的最有效途径。看似简单,它实际上非常复杂且经过深入研究,其影响范围广泛,如制造和空中交通管制。

  来自中佛罗里达大学和波士顿大学的研究人员开发出一种新方法,可以更快地解决这些困难的计算问题。正如自然通讯公司 5月12日报道的那样,他们发现了一种应用统计力学(一种物理学分支)的方法,以创建可以在传统计算机或新型量子计算机器上运行的更有效的算法,主席Eduardo Mucciolo教授说。 UCF科学学院物理系。

  开发了统计力学来研究宏观尺度下的固体,气体和液体,但现在用它来描述各种复杂的物质状态,从磁性到超导性。来自统计力学的方法也被用于理解交通模式,神经元网络的行为,沙崩和股市波动。

  已有基于统计力学的成功算法用于解决计算问题。这些算法将问题映射到图的节点上的二元变量模型,并且该解决方案在具有最低能量的模型的配置上编码。通过将模型构建到硬件或计算机模拟中,研究人员可以对系统进行冷却,直到达到最低能量,从而揭示解决方案。

  “这种方法的问题在于,通常需要经历相变,类似于从液相到玻璃相时发现的相变,其中存在许多具有低能量的竞争配置,”Mucciolo说。“这种相变会使冷却过程变慢,从而导致方法失效。”

  Mucciolo和BU的同事物理学家Claudio Chamon和Andrei Ruckenstein通过将原始计算问题映射到没有相变的优雅统计模型克服了这一障碍,他们称之为顶点模型。该模型在二维晶格上定义,并且每个顶点对应于连接到四个邻居的可逆逻辑门。输入和输出数据位于晶格的边界。Mucciolo说,使用可逆逻辑门和晶格的规律性是避免相变障碍的关键因素。

  “我们的方法基本上是反过来的,所以我们可以解决这些非常困难的问题,”Mucciolo说。“我们为每个逻辑门分配一个能量。我们以这样的方式配置它,即每次满足这些逻辑门时,能量非常低 - 因此,当一切都满足时,系统的总能量应该是非常低。”

  BU的物理学教授Chamon和团队负责人表示,这项研究代表了一种思考问题的新方法。

  “这种模型没有表现出大量的热力学 - 相变,因此消除了先前模型中存在的解决方案的障碍之一,”他说。

  顶点模型可以帮助解决机器学习,电路优化和其他主要计算挑战中的复杂问题。研究人员还在探索该模型是否可以应用于半素数的因子分解,这些数字是两个素数的乘积。使用非常大的半素数执行此操作的难度是现代密码学的基础,并且为创建大规模量子计算机提供了关键的基本原理。

  此外,通过利用量子力学并行性,可以推广该模型以增加解决复杂经典计算问题的另一条路径 - 根据量子力学,系统可以同时处于许多经典状态。

  “我们的论文还提出了一种编程专用计算设备的自然框架,例如D-Wave Systems机器,它使用量子力学来加速解决经典计算问题的时间,”Ruckenstein说。

  杨志成是BU的物理学研究生,也是该论文的共同作者。大学已经申请了顶点模型方面的专利。

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