TH UT TOÁN OM ịM VIL NGT

Một phần của tài liệu ÁP DỤNG THUẬT TOÁN ĐOM ĐÓM BIT LƯỢNG TỬ CHO BÀI TOÁN TỐI ƯU VỊ TRÍ HỆ THỐNG LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG DỰA TRÊN TIÊU CHÍ ĐIỆN ÁP (Trang 32 - 40)

CH NG 3 GI ITHIU TH UT TOÁN FIREFLY ALGORITHM

3.4. TH UT TOÁN OM ịM VIL NGT

3.4.1. Ph ng pháp l ng t (Quantum-Inspried evolutionary algorithm QEA)

Máy tính c l ng t đ c đ xu t vào đ u nh ng n m 1980 [46] và mô t v

máy tính c l ng t đ c chính th c hóa vào cu i nh ng n m 1980 [47]. Nhi u n l c v máy tính l ng t đã ti n tri n tích c c k t đ u nh ng n m 1990 vì nh ng máy tính

này đ c ch ng minh là m nh h n máy tính c đi n trong các v n đ chuyên bi t khác nhau. Có các thu t tốn l ng t n i ti ng nh thu t toán th a s l ng t c a Shor [48] và thu t tốn tìm ki m c s d li u c a Grover [49]. Nghiên c u v vi c h p nh t đi n tốn ti n hóa và đi n tốn l ng t đã đ c b t đ u t cu i nh ng n m 1990. Chúng có

th đ c phân thành hai l nh v c. M t h ng nghiên c u t p trung vào vi c t o ra các thu t toán l ng t m i b ng cách s d ng các k thu t l p trình t đ ng nh l p trình di truy n [50]. H ng nghiên c u cịn l i t p trung vào tính tốn ti n hóa l y c m h ng t l ng t cho m t máy tính c đi n, m t nhánh nghiên c u v tính tốn ti n hóa đ c

đ c tr ng b i các nguyên t c nh t đnh c a c h c l ng t nh sóng đ ng, giao thoa, liên t c, v.v. Trong [51] và [52], khái ni m v s giao thoa đã đ c đ a vào m t toán t chéo.

nh ngh a 1: Nh ng đi u c b n c a tính tốn l ng t đ c gi i quy t ng n g n trong ph n sau. n v nh nh t c a thông tin đ c l u tr trong máy tính l ng t hai tr ng thái đ c g i là bit l ng t ho c qubit [53]. M t qubit có th tr ng thái “1”,

tr ng thái “0” ho c b t k ch ng ch t nào c a c hai. Tr ng thái c a qubit có th

đ c bi u di n d i d ng

(3.19)

trong đó à là các s ph c xác đ nh biên đ xác su t c a các tr ng thái t ng ng. cho xác su t tìm th y qubit tr ng thái “0” và cho xác su t tìm th y qubit tr ng thái “1”. Do đó, tr ng thái có th chu n hóa thành hàm th ng nh t nh sau:

(3.20) Tr ng thái c a Q-bit đ c c p nh t thông qua c ng l ng t đ c g i là c ng có th đ o ng c, có th đ c bi u di n nh toán t đ n nh t . Lo i c ng l ng t bao g m c ng Không, c ng Không đi u khi n đ c, c ng xoay và c ng Hadamard [53]. N u có m t h th ng các qubit, h th ng có th bi u di n các tr ng thái cùng m t

lúc. Tuy nhiên, trong hành đ ng quan sát m t tr ng thái l ng t , nó s h i t v m t tr ng thái duy nh t.

nh ngh a 2: M t cá th Q-bit d i d ng m t chu i Q-bit đ c đ nh ngh a là: (3.21)

trong đó v i . u đi m c a Q-bit là có th bi u di n

tuy n tính các tr ng thái liên ti p. Ví d v i h th ng Q-bit v i 3 c p biên đ nh sau: (3.22) Tr ng thái c a h th ng có th xác đ nh nh sau: (3.23) Xác su t xu t hi n c a các tr ng thái là à . Do đó, h th ng 3 Q-bit c a (3.22)

ch a thông tin c a 8 tr ng thái.

nh ngh a 3: C ng Q-gate đ c đ nh ngh a là m t toán t bi n th c a QEA, theo

đó ho t đ ng c a Q-bit đ c c p nh t ph i th a mãn đi u ki n chu n hóa , trong đó và là các giá tr c a Q-bit đ c c p nh t.

C ng xoay sau đây đ c s d ng làm Q-gate trong QEA, ch ng h n nh

cos

(3.24)

trong đó, v i là góc quay c a m i Q-bit v phía tr ng thái 0 ho c 1 tùy thu c vào d u c a nó. nên đ c thi t k phù h p v i v n đ đ c áp d ng. Trong bài toán Knapsack nh n đ c d i d ng m t hàm c a bit th c a gi i pháp t t nh t và bit th c a gi i pháp nh phân . C n l u Ủ r ng c ng NOT, c ng NOT có ki m sốt, ho c c ng Hadamard có th đ c s d ng làm Q-gate. C ng NOT thay đ i xác su t c a

tr ng thái 1 (ho c 0) thành xác su t c a tr ng thái 0 (ho c 1). Nó có th đ c s d ng đ

thoát kh i m c t i u c c b . Trong c ng NOT đ c đi u khi n, m t trong hai bit ph i là

bit đi u khi n. N u bit đi u khi n là 1, NOT đ c áp d ng cho bit cịn l i. Nó có th đ c s d ng cho các bài tốn có s ph thu c l n c a hai bit. C ng Hadamard phù h p v i các thu t tốn s d ng thơng tin pha c a Q-bit, c ng nh thông tin biên đ .

Hình 3.4. Bi u đ c c c a c ng xoay cho cá th Q-bit

nh ngh a 4: Di chuy n trong QEA đ c đ nh ngh a là quá trình sao chép

vào ho c đ n . Di chuy n toàn c c đ c th c hi n b ng cách thay th t t c các gi i pháp b ng và di chuy n c c b đ c th c hi n b ng cách thay th m t s gi i pháp b ng gi i pháp t t nh t trong s đó. 3.4.2. S đ thu t tốn c a ph ng pháp l ng t B t đ u thu t toán Begin 1. Kh i t o 2. Tính d a theo tr ng thái c a 3. ánh giá 4. L u giá tr t t nh t c a vào While (ch a th a đi u ki n k t thúc vịng l p) Begin 5. Tính d a theo tr ng thái c a

6. ánh giá

7. C p nh t b ng c ng Q-gates

8. L u giá tr t t nh t c a và vào 9. L u giá tr t t nh t c a vào

10. If (th a đi u ki n k t thúc vòng l p)

Then di chuy n ho c vào toàn c c ho c c c b

End

End

K t thúc thu t tốn

Hình 3.5. S đ thu t toán c a ph ng pháp l ng t

QEA là m t thu t toán xác su t t ng t nh các thu t tốn ti n hóa khác. Tuy nhiên, QEA duy trì m t qu n th các cá th Q-bit t i th h , v i

(3.25)

Trong đó là s l ng Q-bits, t c là đ dài chu i c a t ng Q-bit và 1. b c 1, à v i c a t t c v i

đ c kh i t o v i giá tr . Nó có ngh a là m t cá th Q-bit, đ i di n cho s ch ng ch t tuy n tính c a t t c các tr ng thái có th có v i cùng m t xác su t

(3.26)

Trong đó là tr ng thái th đ c bi u di n b ng chu i nh phân trong

đó v i là 0 ho c 1 theo xác su t c a và .

2. B c này tính giá tr nh phân trong b ng cách quan sát các tr ng thái c a

, trong đó t i . M t gi i pháp nh phân, v i

là m t chu i nh phân có đ dài , đ c hình thành b ng cách ch n 0 ho c 1 cho m i bit s d ng xác su t, ho c ho c v i c a . Trong m t máy tính l ng t , khi quan sát m t tr ng thái l ng t , nó s h i t v m t tr ng thái duy nh t. Tuy nhiên, vi c thu g n thành m t tr ng thái duy nh t không x y ra trong

QEA, vì QEA đang làm vi c trên m t máy tính c đi n, khơng ph i máy tính l ng t . 3. M i gi i pháp nh phân đ c đánh giá đ cung c p m c đ phù h p c a nó. 4. Các gi i pháp t t nh t ban đ u sau đó đ c ch n trong s các gi i pháp nh phân và đ c l u tr vào , trong đó và

gi ng nh t i th h ban đ u.

5 + 6. Trong vòng l p while, các gi i pháp nh phân trong đ c hình thành b ng cách quan sát các tr ng thái nh trong b c 2 và m i gi i pháp nh phân

đ c đánh giá cho giá tr phù h p. C n l u Ủ r ng trong có th đ c hình thành b i nhi u l n quan sát v trong . Trong tr ng h p này, nên đ c thay th b ng , trong đó là m t ch s quan sát.

7. Trong b c này, các cá th Q-bit trong đ c c p nh t b ng cách áp d ng các c ng Q đ c đ nh ngh a công th c (3.25).

8 + 9. Các gi i pháp t t nh t trong s và đ c l a ch n và l u tr

vào , và n u gi i pháp t t nh t đ c l u tr trong đó phù h p h n so v i gi i pháp t t nh t đ c l u tr , các gi i pháp đ c l u tr s đ c thay th b ng m t giá tr m i.

10. N u m t đi u ki n di chuy n đ c th a mãn, thì gi i pháp t t nh t s đ c di chuy n đ n , ho c gi i pháp t t nh t trong s m t s gi i pháp trong đó là

di chuy n đ n chúng. i u ki n di chuy n là m t tham s thi t k và quá trình di chuy n

đ c xác đ nh d i đây có th t o ra s thay đ i xác su t c a m t cá th Q-bit.

Các gi i pháp nh phân trong b lo i b cu i vịng l p vì s đ c t o ra b ng cách quan sát c p nh t b c 7. Cho đ n khi đi u ki n k t thúc đ c th a

mãn, QEA đang ch y trong vòng l p while.

3.4.3. Áp d ng thu t tốn đom đóm v i l ng t

Nhi u v n đ t i u hóa gi i quy t các ch c n ng đa chi u th c. Nhi m v là tìm giá tr l n nh t (ho c nh nh t) c a hàm, v i đi u ki n là các đ i s c a nó thu c m t s ph m vi đ c xác đ nh tr c:

(3.27)

Trong đó và

M t s ph ng án bi u di n cho các v n đ đ c đánh giá th c t đã đ c đ

xu t, c ng nh các bi n th khác nhau cho các tốn t ti n hóa. M t cách ti p c n là mã hóa các giá tr th c d i d ng bit, trong đó m t s nh phân thu đ c b ng cách đo m t

vect t ng ng g m các qubit. V n đ chính là đ chính xác có th ch p nh n đ c

đòi h i m t s l ng l n qubit, đ c bi t là đ i v i các bài toán t i u hóa l n. Ví d , m t trong nh ng bài toán t i u đa m c tiêu, nhi u v n đ đ c đ xu t có 100 s th c t o thành các gi i pháp và c n đ c xác đ nh. M t cách ti p c n khác là s d ng m t trong các giai đo n c a các qubit, đ c xác đnh b i biên đ xác su t.

t , có các ph ng án khác nhau đ c đ xu t đ k t n i

(3.28)

Ho c

(3.29) H u h t các tác gi s d ng c ng xoay đ di chuy n m t cá th riêng l v phía giá tr c a cá th t t nh t hi n t i. Tr ng l ng c a các hàm m c tiêu có th đ c s d ng đ xác đ nh kích th c c a góc quay [47]. M c dù c ng ph đ nh đ c s d ng đ gây đ t bi n trong nhi u tr ng h p, nh ng đ t bi n h n lo n c ng có th đ c s d ng [49], b ng cách t o ra m t chu i h n lo n d a trên ph n h n lo n c a s đ phân nhánh. M t cách đ n gi n đ mã hóa thơng tin giá tr th c các qubit là s d ng góc pha.

Trong tr ng h p này, nhi m s c th s d ng cái g i là “mã hóa chu i kép” [48] có c u trúc sau:

(3.30) Các ho t đ ng ti n hóa đ c th c hi n b ng các c ng l ng t , t ng ng v i các phép quay c a các tham s qubit

cos

(3.31)

Thơng th ng, m t phép tốn g n t ng ng v i s trao đ i chéo là xoay m t gen c a m t cá th theo giá tr gen c a cá th t t nh t trong qu n th hi n t i, b ng cách thêm m t giá tr (có th âm):

= (3.32)

= (3.33)

C ng xoay đ c đ xu t này bao g m 2 k thu t, c th là c ng xoay t a đ , và

ph ng pháp xác đ nh góc xoay đ ng đ c s d ng đ c p nh t Q-bit và xác đ nh đ

l n c a góc quay. Do đó khơng có b ng tra c u nào đ c xây d ng tr c, và góc quay

(3.34)

Trong đó là đ l n c a góc quay, nó gi m đ n đi u t đ n theo s l n l p.

3.5. M T S PH NG PHÁP C I TI N QUAN TR NG TRONG QUÁ TRÌNH PHÁT TRI N C A THU T TOÁN OM ịM

Một phần của tài liệu ÁP DỤNG THUẬT TOÁN ĐOM ĐÓM BIT LƯỢNG TỬ CHO BÀI TOÁN TỐI ƯU VỊ TRÍ HỆ THỐNG LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG DỰA TRÊN TIÊU CHÍ ĐIỆN ÁP (Trang 32 - 40)