KR102219374B1 - A method and an apparatus for solving traveling salesman problem using a grover operator - Google Patents

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권영헌
장현성
김지환
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Abstract

The present invention provides a method for solving a travel salesman problem, which comprises the steps of: setting eigenvectors corresponding to each of a plurality of cycles passing through all nodes to overlap each other; determining a database corresponding to all cyclic lengths of the traveling salesman problem by applying quantum phase estimation using a unitary matrix to a state in which the eigenvectors are superimposed; and determining the shortest path through all nodes by comparing the cycle length of the database with a preset reference value.

Description

그로버 연산자를 이용한 외판원 문제 해결 방법 및 장치{A METHOD AND AN APPARATUS FOR SOLVING TRAVELING SALESMAN PROBLEM USING A GROVER OPERATOR}A method and device for solving the problem of a salesman using a Grover operator {A METHOD AND AN APPARATUS FOR SOLVING TRAVELING SALESMAN PROBLEM USING A GROVER OPERATOR}

본 발명은 그로버 연산자를 이용한 외판원 문제 해결 방법 및 장치를 제공한다.The present invention provides a method and apparatus for solving a salesman problem using a Grover operator.

외판원 문제(traveling salesman problem, TSP)는 모든 도시를 방문하고 원래 도시로 돌아오는 최단 순환을 찾는 문제다. 외판원 문제는 조합 최적화 문제에서 NP-난해 문제에 속하며, 무차별 대입법(brute-force method)을 적용했을 때 지수 시간이 소요될 수 있다. 외판원 문제의 해를 구하여 외판원 문제에 대응하는 문제를 직접적으로 해결할 수 있고, 해결책을 실용적으로 널리 적용할 수 있는바, 외판원 문제 해결은 중요하다.The traveling salesman problem (TSP) is a problem of finding the shortest cycle to visit every city and return to the original city. The traveling salesman problem belongs to the NP-difficulty problem in the combinatorial optimization problem, and it may take exponential time when the brute-force method is applied. Solving the salesman problem is important because it is possible to directly solve the problem corresponding to the salesman problem by solving the problem of the salesman, and the solution can be practically widely applied.

외판원 문제를 푸는 고전적인 접근법은 크게 둘로 나뉜다. 첫 번째는 분기한정법(branch and bound) 같은 정답 접근법(exact solution approach)이다. 정답 접근법은 최적해를 구할 수 있지만 계산 시간이 길다. 두 번째는 휴리스틱 기법(heuristic)같은 근사 접근법(approximate approach)이다. 근사 접근법은 계산 시간이 짧지만 근사 접근법으로 구한 해가 최적해라는 보장이 없다.The classic approach to solving the salesman problem can be divided into two. The first is an exact solution approach, such as branch and bound. The correct answer approach can find the optimal solution, but it takes a long time to calculate. The second is an approximate approach, such as a heuristic. Although the approximation approach has a short computation time, there is no guarantee that the solution obtained by the approximation approach is an optimal solution.

한편, 양자물리학을 도입하여 외판원 문제를 해결하려는 연구도 진행되었다. Martonak은 양자 담금질 기법(quantum annealing)과 담금질 기법(simulated annealing)을 외판원 문제에 적용하였다. 그 결과 양자 담금질 기법이 담금질 기법보다 더 나을 수 있음을 보였다.Meanwhile, research was conducted to solve the problem of traveling salesman by introducing quantum physics. Martonak applied quantum annealing and simulated annealing to the traveling salesman problem. As a result, it was shown that the quantum quenching technique could be better than the quenching technique.

본 발명은 그로버 연산자를 이용한 외판원 문제 해결 방법 및 장치를 제공한다. 보다 구체적으로 본 발명은 양자 카운팅 알고리즘을 고려하여 외판원 데이터베이스에서 최단 경로 상태를 찾을 수 있는 방법을 제공한다.The present invention provides a method and apparatus for solving a salesman problem using a Grover operator. More specifically, the present invention provides a method of finding the shortest path state in a salesman database in consideration of a quantum counting algorithm.

일 실시예에 따르면, 복수개의 노드에 대한 외판원 문제 해결 방법은 모든 노드들을 경유하는 복수개의 순환 각각에 대응하는 고유벡터들이 서로 중첩되도록 설정하는 단계, 상기 고유벡터들이 중첩된 상태에 유니터리 행렬을 이용한 양자 위상추정을 적용하여 외판원 문제의 모든 순환길이에 대응하는 데이터베이스를 결정하는 단계 및 상기 데이터베이스의 순환길이와 기설정된 기준값을 비교하여 모든 노드들을 경유하는 최단 경로를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.According to an embodiment, a method for solving a traveling salesman problem for a plurality of nodes includes setting eigenvectors corresponding to each of a plurality of cycles through all nodes to overlap each other, and a unitary matrix in a state in which the eigenvectors are overlapped. It may include determining a database corresponding to all the circulation lengths of the traveling salesman problem by applying the used quantum phase estimation, and determining the shortest path through all nodes by comparing the circulation length of the database with a preset reference value. .

일 실시예에 따르면, 상기 최단 경로를 결정하는 단계는 상기 데이터베이스에 양자 카운팅 알고리즘(quantum counting algorithm)을 적용하여 상기 데이터베이스에 대응되는 그로버 연산자(grover operator) 회전각을 결정하는 단계 및 상기 그로버 연산자 회전각이 0인 경우, 상기 기준값보다 짧은 순환길이가 존재하지 않는다고 판단하고, 상기 그로버 연산자 회전각이 0이 아닌 경우, 상기 기준값보다 짧은 순환길이가 존재한다고 판단하는 단계를 포함할 수 있다.According to an embodiment, the determining of the shortest path includes determining a rotation angle of a Grover operator corresponding to the database by applying a quantum counting algorithm to the database, and rotation of the Grover operator. When the angle is 0, determining that there is no circulation length shorter than the reference value, and when the Grover operator rotation angle is not 0, determining that there is a circulation length shorter than the reference value.

일 실시예에 따르면, 외판원 문제 해결 방법은 상기 그로버 연산자 회전각이 0이 아닌 경우, 상기 그로버 연산자 회전각 크기에 기반하여 가중치를 결정하는 단계, 상기 가중치를 상기 기준값에 적용하여 상기 기준값의 크기를 감소시키는 단계 및 상기 데이터베이스의 순환길이와 크기가 감소된 기준값을 비교하여 모든 노드들을 경유하는 최단 경로를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.According to an embodiment, the method for solving the salesman problem includes determining a weight based on the size of the Grover operator rotation angle when the rotation angle of the Grover operator is not 0, and determining the size of the reference value by applying the weight to the reference value. It may further include the step of decrementing and determining the shortest path through all the nodes by comparing the reference value of which the circular length and the size of the database have been reduced.

일 실시예에 따르면, 상기 유니터리 행렬은 하기 수학식 1에 기반하여 결정되고, 상기 유니터리 행렬의 고유벡터에 대응되는 위상은 노드 사이 거리의 합일 수 있다.According to an embodiment, the unitary matrix is determined based on Equation 1 below, and a phase corresponding to an eigenvector of the unitary matrix may be a sum of distances between nodes.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112019106186668-pat00001
Figure 112019106186668-pat00001

U: 유니터리 행렬U: unitary matrix

Um:

Figure 112019106186668-pat00002
Um:
Figure 112019106186668-pat00002

일 실시예에 따르면, 상기 데이터베이스를 결정하는 단계는 하기 수학식 2에 기반하여 양자 위상추정을 적용할 수 있다.According to an embodiment, in determining the database, quantum phase estimation may be applied based on Equation 2 below.

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112019106186668-pat00003
Figure 112019106186668-pat00003

N: 노드의 개수, |Cj>: 특정 순환에 대응하는 고유벡터, QPE: 양자 위상추정, |Dj>: 특정 순환에 대응하는 데이터 상태N: number of nodes, |Cj>: eigenvector corresponding to specific cycle, QPE: quantum phase estimation, |Dj>: data state corresponding to specific cycle

일 실시예에 따르면, 외판원 문제 해결 방법은 상기 데이터베이스에 역-양자 위상추정을 적용하여 상기 데이터베이스를 분리 가능한 상태로 구성하는 단계, 상기 분리 가능한 상태로 구성된 데이터베이스를 유니터리 변환하는 단계, 및 유니터리 변환된 결과값에 기반하여 모든 노드들을 경유하는 최단 경로를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.According to an embodiment, a method for solving the salesman problem includes the steps of configuring the database in a detachable state by applying an inverse-quantum phase estimation to the database, unitary converting the database configured in the detachable state, and It may further include determining the shortest path through all the nodes based on the converted result value.

일 실시예에 따르면, 외판원 문제를 해결하기 위한 제어부를 포함하는 전자 장치에 있어서 상기 제어부는 모든 노드들을 경유하는 복수개의 순환 각각에 대응하는 고유벡터들이 서로 중첩되도록 설정하는 데이터설정부, 상기 고유벡터들이 중첩된 상태에 유니터리 행렬을 이용한 양자 위상추정을 적용하여 외판원 문제의 모든 순환길이에 대응하는 데이터베이스를 결정하는 데이터베이스 결정부 및 상기 데이터베이스의 순환길이와 기설정된 기준값을 비교하여 모든 노드들을 경유하는 최단 경로를 결정하는 외판원 문제 해결부를 포함할 수 있다.According to an embodiment, in an electronic device including a control unit for solving the salesman problem, the control unit is a data setting unit configured to set eigenvectors corresponding to each of a plurality of cycles passing through all nodes to overlap each other, the eigenvector A database determination unit that determines a database corresponding to all the circulation lengths of the traveling salesman problem by applying quantum phase estimation using a unitary matrix in the state of the overlapping state, and passes through all nodes by comparing the circulation length of the database with a preset reference value. It may include a salesman problem solving unit to determine the shortest route.

일 실시예에 따르면, 상기 외판원 문제 해결부는 상기 데이터베이스에 양자 카운팅 알고리즘(quantum counting algorithm)을 적용하여 상기 데이터베이스에 대응되는 그로버 연산자(grover operator) 회전각을 결정하고, 상기 그로버 연산자 회전각이 0인 경우, 상기 기준값보다 짧은 순환길이가 존재하지 않는다고 판단하며, 상기 그로버 연산자 회전각이 0이 아닌 경우, 상기 기준값보다 짧은 순환길이가 존재한다고 판단할 수 있다.According to an embodiment, the traveling salesman problem solving unit determines a Grover operator rotation angle corresponding to the database by applying a quantum counting algorithm to the database, and the Grover operator rotation angle is 0. In this case, it is determined that there is no circulation length shorter than the reference value, and when the Grover operator rotation angle is not 0, it may be determined that there is a circulation length shorter than the reference value.

일 실시예에 따르면, 상기 외판원 문제 해결부는 그로버 연산자 회전각이 0이 아닌 경우, 상기 그로버 연산자 회전각 크기에 기반하여 가중치를 결정하고, 상기 가중치를 상기 기준값에 적용하여 상기 기준값의 크기를 감소시키며, 상기 데이터베이스의 순환길이와 크기가 감소된 기준값을 비교하여 모든 노드들을 경유하는 최단 경로를 결정할 수 있다.According to an embodiment, the traveling salesman problem solving unit determines a weight based on the size of the Grover operator rotation angle, when the Grover operator rotation angle is not 0, and reduces the size of the reference value by applying the weight to the reference value. , It is possible to determine the shortest path through all nodes by comparing the circulating length of the database and a reference value of which the size is reduced.

일 실시예에 따르면, 상기 유니터리 행렬은 하기 수학식 3에 기반하여 결정되고, 상기 유니터리 행렬의 고유벡터에 대응되는 위상은 노드 사이 거리의 합일 수 있다.According to an embodiment, the unitary matrix is determined based on Equation 3 below, and a phase corresponding to an eigenvector of the unitary matrix may be a sum of distances between nodes.

[수학식 3][Equation 3]

Figure 112019106186668-pat00004
Figure 112019106186668-pat00004

U: 유니터리 행렬U: unitary matrix

Um:

Figure 112019106186668-pat00005
Um:
Figure 112019106186668-pat00005

일 실시예에 따르면, 상기 데이터베이스 결정부는 하기 수학식 4에 기반하여 양자 위상추정을 적용할 수 있다.According to an embodiment, the database determiner may apply quantum phase estimation based on Equation 4 below.

[수학식 4][Equation 4]

Figure 112019106186668-pat00006
Figure 112019106186668-pat00006

N: 노드의 개수, |Cj>: 특정 순환에 대응하는 고유벡터, QPE: 양자 위상추정, |Dj>: 특정 순환에 대응하는 데이터 상태N: number of nodes, |Cj>: eigenvector corresponding to specific cycle, QPE: quantum phase estimation, |Dj>: data state corresponding to specific cycle

일 실시예에 따르면, 상기 외판원 문제 해결부는 상기 데이터베이스에 역-양자 위상추정을 적용하여 상기 데이터베이스를 분리 가능한 상태로 구성하고, 상기 분리 가능한 상태로 구성된 데이터베이스를 유니터리 변환하며, 유니터리 변환된 결과값에 기반하여 모든 노드들을 경유하는 최단 경로를 결정할 수 있다.According to an embodiment, the salesman problem solving unit configures the database in a detachable state by applying inverse-quantum phase estimation to the database, unitary converts the database configured in the detachable state, and unitary conversion results Based on the value, the shortest path through all nodes can be determined.

본 발명에서 개시하고 있는 일 실시예에 따를 경우, 모든 순환이 중첩된 상태를 준비해 외판원 데이터베이스를 형성할 수 있으며, 외판원 데이터베이스에서 최단 순환 상태를 그로버 검색 알고리즘으로 찾아 외판원 문제의 최적해를 얻을 수 있다.According to an embodiment disclosed in the present invention, it is possible to prepare a state in which all circulations are overlapped to form a salesman database, and an optimum solution to the salesman problem may be obtained by finding the shortest circulation state in the salesman database with a Grover search algorithm.

또한 도시 사이의 거리가 대칭이 아니거나(즉, asymmetric한 경우) 도시의 개수가 증가한다고 하더라도 본 발명에서 개시하고 있는 외판원 문제 해결 방법을 통해 외판원 문제의 최적해를 얻을 수 있다.In addition, even if the distance between cities is not symmetric (that is, if the number of cities is asymmetric) or the number of cities increases, an optimal solution to the problem of the salesman can be obtained through the method for solving the problem of the salesman disclosed in the present invention.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 도시가 4개인 경우의 외판원 문제를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 도시가 4개인 경우의 외판원 문제를 해결하기 위한 회로도를 나타낸 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 외판원 문제를 해결하기 위한 MC-Z 게이트의 구성을 나타낸 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 외판원 문제를 해결하기 위한 MC-Z 게이트의 구성을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 외판원 문제 해결 방법의 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 최단 경로 결정 방법의 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 장치의 블록도이다.
1 is a view showing the problem of a salesman in a case of four cities according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram showing a circuit diagram for solving the problem of a traveling salesman when there are four cities according to an embodiment of the present invention.
3A and 3B are diagrams showing the configuration of an MC-Z gate for solving a traveling salesman problem according to an embodiment of the present invention.
4A and 4B are diagrams showing the configuration of an MC-Z gate for solving a traveling salesman problem according to an embodiment of the present invention.
5 is a flowchart of a method for solving a salesman problem according to an embodiment of the present invention.
6 is a flowchart of a method for determining a shortest path according to an embodiment of the present invention.
7 is a block diagram of an electronic device according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.In the present invention, various modifications may be made and various embodiments may be provided, and specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the detailed description. However, this is not intended to limit the present invention to a specific embodiment, it is to be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In describing each drawing, similar reference numerals have been used for similar elements.

제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.Terms such as first, second, A, and B may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. These terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another component. For example, without departing from the scope of the present invention, a first element may be referred to as a second element, and similarly, a second element may be referred to as a first element. The term and/or includes a combination of a plurality of related listed items or any of a plurality of related listed items.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.When a component is referred to as being "connected" or "connected" to another component, it is understood that it may be directly connected or connected to the other component, but other components may exist in the middle. Should be. On the other hand, when a component is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another component, it should be understood that there is no other component in the middle.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the present application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In the present application, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate the presence of features, numbers, steps, actions, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but one or more other features. It is to be understood that the presence or addition of elements or numbers, steps, actions, components, parts, or combinations thereof, does not preclude in advance.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Terms as defined in a commonly used dictionary should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related technology, and should not be interpreted as an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in this application. Does not.

일 실시예에 따르면, 0번 도시부터 n-1번 도시까지 도시가 n개인 외판원 문제가 고려될 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, x번 도시에서 y번 도시까지 거리를 φxy로 가정할 때 유니터리 행렬 U는 다음과 같을 수 있다.According to an embodiment, the problem of a salesman having n cities from city 0 to city n-1 may be considered. According to various embodiments, assuming a distance from city x to city y is φ xy , the unitary matrix U may be as follows.

Figure 112019106186668-pat00007
Figure 112019106186668-pat00007

Um:

Figure 112019106186668-pat00008
U m :
Figure 112019106186668-pat00008

일 실시예에 따르면, Um의 고유벡터 |l>에 대응하는 위상은 l번 도시부터 m번 도시까지 거리인 φlm일 수 있다. 즉, Um의 각 고유벡터에 대응하는 위상들은 각 도시에서 m번 도시까지 거리일 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 유니터리 행렬 U는 Um들은 텐서곱(tensor product)이므로, U의 고유벡터에 대응하는 위상은 도시 사이 거리 합일 수 있다.According to an embodiment, a phase corresponding to the eigenvector |l> of U m may be φ lm , which is a distance from city l to city m. That is, the phases corresponding to each eigenvector of U m may be a distance from each city to the m city. According to various embodiments, since the unitary matrix U is a tensor product of U m , a phase corresponding to an eigenvector of U may be a sum of distances between cities.

일 실싱예에 따르면, 외판원 문제의 순환길이는 도시 사이 거리 합으로 표현될 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, U의 고유벡터에 대응하는 위상은 도시 사이 거리 합이므로 이들 중 어떤 위상은 순환길이가 될 수 있다. 즉, U의 어떤 고유벡터는 외판원 문제의 특정 순환에 대응할 수 있으며, 어떤 교유벡터의 위상은 특정 순환길이에 대응할 수 있다.According to one example, the circulation length of the salesman problem may be expressed as a sum of distances between cities. According to various embodiments, since the phase corresponding to the eigenvector of U is the sum of distances between cities, any of these phases may be a circular length. That is, a certain eigenvector of U may correspond to a specific cycle of the traveling salesman problem, and a phase of a certain coherence vector may correspond to a specific cycle length.

일 실시예에 따르면, 특정 순환에 대응하는 고유벡터 |Cj>를 준비하면, 다음과 같이 유니터리 행렬 U를 사용한 양자 위상추정으로 그 순환길이에 대응하는 상태 |Dj>를 얻을 수 있다.According to an embodiment, if an eigenvector |C j > corresponding to a specific cycle is prepared, a state |D j > corresponding to the cycle length can be obtained by quantum phase estimation using a unitary matrix U as follows.

Figure 112019106186668-pat00009
Figure 112019106186668-pat00009

일 실시예에 따르면, 모든 순환에 대응하는 고유벡터들이 중첩된 상태를 준비하면, 유니터리 행렬 U를 이용한 양자 위상추정으로 모든 순환길이에 대응하는 상태를 다음과 같이 얻을 수 있다.According to an embodiment, when a state in which eigenvectors corresponding to all cycles are superimposed is prepared, states corresponding to all cycle lengths can be obtained by quantum phase estimation using the unitary matrix U as follows.

Figure 112019106186668-pat00010
Figure 112019106186668-pat00010

일 실시예에 따르면, 양자 위상추정 전 상태는 순환길이에 대응하는 상태가 없을 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 특정 길이(예를 들어 L)보다 짧은 순환이 있는지 판단하기 위해 양자 위상추정 후 상태를 고려할 수 있다. 예를 들어 외판원 데이터베이스에서 순환길이가 L보다 짧은 상태의 부호를 MC-Z 게이트를 적절히 구성하여 바꿀 수 있으며, 다음과 같이 이후 역-양자 위상추정(inverse quantum phase estimation)을 수행할 수 있다.According to an embodiment, the state before quantum phase estimation may not have a state corresponding to the cycle length. According to various embodiments, a state after quantum phase estimation may be considered to determine whether there is a cycle shorter than a specific length (eg, L). For example, in the salesman database, a sign having a circulating length shorter than L can be changed by properly configuring the MC-Z gate, and inverse quantum phase estimation can be performed as follows.

Figure 112019106186668-pat00011
Figure 112019106186668-pat00011

한편, 이하에서는 표현의 편의를 위해 다음과 같이 표기 정의를 규정한다.Meanwhile, in the following, for the convenience of expression, the notation definition is defined as follows.

Figure 112019106186668-pat00012
Figure 112019106186668-pat00012

상기 수식에서 M은 L보다 짧은 순환의 개수이다. 상기 정의를 이용하여 앞서 언급한 순환 상태에 유니터리 변환 D를 수행하면 다음과 같을 수 있다.In the above equation, M is the number of cycles shorter than L. Using the above definition, if unitary conversion D is performed in the aforementioned cyclic state, it may be as follows.

Figure 112019106186668-pat00013
Figure 112019106186668-pat00013

즉,

Figure 112019106186668-pat00014
로 고려될 수 있다. 결국 본 발명에 따를 경우 그로버 연산자 G가 정의되었으므로, 회전각 θ를 양자 카운팅 알고리즘으로 알아낼 수 있다. 일 실시예에 따르면, θ가 0이면 L보다 짧은 순환은 존재하지 않을 수 있으며, θ가 0이 아니면 L보다 짧은 순환이 존재할 수 있다.In other words,
Figure 112019106186668-pat00014
Can be considered as In the end, in the case of the present invention, since the Grover operator G is defined, the rotation angle θ can be found using a quantum counting algorithm. According to an embodiment, if θ is 0, there may not be a cycle shorter than L, and if θ is not 0, there may be a cycle shorter than L.

일 실시예에 따르면, 양자 카운팅 알고리즘으로 구한 회전각 θ가 0이 아닌 경우, G를 적절하게 반복하여 L보다 짧은 순환 상태의 가중치를 최대로 할 수 있다. 즉, 그로버 검색 알고리즘으로 L보다 짧은 순환 상태를 찾을 수 있다. 이하에서는 본 발명에 대한 이해를 돕고자 본 발명에서 제안하고 있는 해결 방법을 실제 외판원 문제에 적용해보도록 하겠다.According to an embodiment, when the rotation angle θ obtained by the quantum counting algorithm is not 0, the weight of the cycle state shorter than L may be maximized by appropriately repeating G. In other words, a cyclic state shorter than L can be found with the Grover search algorithm. In the following, in order to help understanding the present invention, the solution proposed by the present invention will be applied to the actual salesman problem.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 도시가 4개인 경우의 외판원 문제를 나타낸 도면이다.1 is a view showing the problem of a salesman in a case of four cities according to an embodiment of the present invention.

일 실시예에 따르면, 도 1에서 도시하고 있는 외판원 문제는 대칭적인 케이스(symmetric)일 수 있다. 예를 들어, 도 1에서 도시0에서 도시 1까지의 경로인 φ01의 길이와 도시1에서 도시0까지의 경로인 φ10의 길이는 동일할 수 있다.According to an embodiment, the traveling salesman problem illustrated in FIG. 1 may be a symmetric case. For example, the length of φ 01 , which is a path from city 0 to city 1, in FIG. 1, and φ 10 , which is a path from city 1 to city 0, may be the same.

일 실시예에 따르면, 도 1에서 도시하고 있는 외판원 문제에서 유니터리 행렬을 다음과 같을 수 있다.According to an embodiment, the unitary matrix in the traveling salesman problem illustrated in FIG. 1 may be as follows.

Figure 112019106186668-pat00015
Figure 112019106186668-pat00015

일 실시예에 따르면, U의 고유벡터에 대응하는 위상은 도시 사이 거리 합이므로, 이들 중 어떤 위상은 순환길이가 될 수 있다. 즉, U의 어떤 고유벡터는 외판원 문제의 특정 순환에 대응할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 도시가 4곳인 외판원 문제에서 가능환 순환은 총 6개이며, 그에 대응하는 고유벡터도 아래 표 1과 같이 6개가 될 수 있다.According to an embodiment, since the phase corresponding to the eigenvector of U is the sum of the distances between cities, any of these phases may be a circular length. That is, any eigenvector of U can correspond to a specific cycle of the traveling salesman problem. According to various embodiments, in the problem of a salesman with four cities, a total of six possible ring cycles, and corresponding eigenvectors may also be six as shown in Table 1 below.

순환 번호Circular number 순환 경로Circulation path 고유벡터Eigenvector 1One

Figure 112019106186668-pat00016
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Figure 112019106186668-pat00017
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55
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일 실시예에 따르면, 순환 번호 1번, 순환 번호 3번, 순환 번호 4번, 순환 번호 6번이 중첩된 상태를 준비할 수 있다. 예를 들어 중첩 상태는 도시가 4곳이고, 도시 사이 거리가 대칭인 외판원 문제의 모든 순환을 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 상기 모든 순환에서 가장 짧은 순환을 찾아 외판원 문제를 해결할 수 있다. 한편, 일례로 도시 사이의 거리는 아래와 같이 설정하였으며, 이에 따른 순환 번호 1번, 순환 번호 3번, 순환 번호 4번, 순환 번호 6번의 교유벡터 및 순환 길이는 아래 표2와 같다.According to an embodiment, it is possible to prepare a state in which cyclic number 1, circulating number 3, circulating number 4, and circulating number 6 are overlapped. For example, the overlapping state can include all cycles of the problem of a salesman in which there are 4 cities and the distances between cities are symmetric. According to various embodiments, it is possible to solve the traveling salesman problem by finding the shortest cycle in all the cycles. On the other hand, as an example, the distance between cities was set as follows, and accordingly, the vector and the length of the cycle number 1, the cycle number 3, the cycle number 4, and the cycle number 6 are shown in Table 2 below.

Figure 112019106186668-pat00028
Figure 112019106186668-pat00028

순환 번호Circular number 순환 경로Circulation path 고유벡터Eigenvector 순환길이Circulation length 1One

Figure 112019106186668-pat00029
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Figure 112019106186668-pat00030
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Figure 112019106186668-pat00040
Figure 112019106186668-pat00040

일 실시예에 따르면, 상기 표 2에서 순환길이가 π보다 짧은 순환이 존재하는지를 고려해 볼 수 있다. 상기 표 2에서 전체 순환이 4개이고 π보다 짧은 순환이 1개(6번 순환) 존재하므로, 양자 카운팅 알고리즘으로 추정한 회전각 θ는 60°일 수 있다. 즉, 그로버 연산자 G를 한 번 수행한 그로버 검색 알고리즘으로 최단 순환을 찾을 수 있다.According to an embodiment, in Table 2, it may be considered whether there is a cycle having a cycle length shorter than π. In Table 2, since there are four total cycles and one cycle shorter than π (6 cycles), the rotation angle θ estimated by the quantum counting algorithm may be 60°. In other words, the shortest cycle can be found with a Grover search algorithm that performs Grover operator G once.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 도시가 4개인 경우의 외판원 문제를 해결하기 위한 회로도를 나타낸 도면이다.2 is a diagram showing a circuit diagram for solving the problem of a traveling salesman when there are four cities according to an embodiment of the present invention.

일 실시예에 따르면, Ustate를 작용하여 순환 번호 1번, 순환 번호 3번, 순환 번호 4번, 순환 번호 6번 순환이 중첩된 상태를 준비할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면 준비한 상태에 양자 위상추정을 수행하여 순환 상태에 대응하는 순환길이를 얻을 수 있다. 앞선 예를 인용하면 순환길이의 최소단위가 π/8이므로 양자 위상추정에 사용하는 큐비트는 4개일 수 있다.According to an embodiment, the U state may be applied to prepare a state in which cyclic number 1, circulating number 3, circulating number 4, and circulating number 6 are overlapped. According to various embodiments, quantum phase estimation may be performed in a prepared state to obtain a circulation length corresponding to a circulation state. Quoting the previous example, since the minimum unit of the circular length is π/8, there may be 4 qubits used for quantum phase estimation.

일 실시예에 따르면, 큐비트는 양자 컴퓨터에서 사용되는 양자 정보의 기본 단위일 수 있다. 큐비트는 2차원 양자 시스템이며, 다음과 같이 기술할 수 있다. 다음 수식에서 |0>, |1>은 큐비트의 기저 상태(basis state)일 수 있다. 주어진 큐비트를 측정하면 p의 확률로 고전 비트값 0과 1-p의 확률로 고전 비트 값 1을 얻을 수 있다.According to an embodiment, a qubit may be a basic unit of quantum information used in a quantum computer. The qubit is a two-dimensional quantum system, and can be described as follows. In the following equation, |0> and |1> may be the basis state of the qubit. If a given qubit is measured, the classical bit value 0 with the probability of p and the classical bit value 1 with the probability of 1-p can be obtained.

Figure 112019106186668-pat00041
Figure 112019106186668-pat00041

일 실시예에 따르면, “순환 길이가 π보다 짧은 순환이 존재하는가?” 여부가 외판원 문제 해결에 고려될 수 있다. 앞선 예를 인용하면, 순환 길이가 π인 순환길이 상태는 |1000>일 수 있으므로, 순환길이가 π보다 짧다면 첫 번째 큐비트는 |0> 일 수 있다. 따라서 첫 번째 큐비트가 |0>인 상태의 부호를 바꾸도록 MC-Z 게이트를 구성할 수 있다.According to one embodiment, “Is there a cycle with a cycle length shorter than π?” Whether or not can be considered in solving the salesman problem. Referring to the previous example, since the cycle length state with the cycle length π may be |1000>, if the cycle length is shorter than π, the first qubit may be |0>. Therefore, the MC-Z gate can be configured to change the sign of the state where the first qubit is |0>.

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 외판원 문제를 해결하기 위한 MC-Z 게이트의 구성을 나타낸 도면이다. 보다 구체적으로 도 3a 및 도 3b는 π보다 짧은 순환 상태의 부호를 바꾸는 MC-Z 게이트의 구성을 나타낸 도면이다.3A and 3B are diagrams showing the configuration of an MC-Z gate for solving a traveling salesman problem according to an embodiment of the present invention. More specifically, FIGS. 3A and 3B are diagrams showing the configuration of an MC-Z gate that changes the sign of a circulating state shorter than π.

일 실시예에 따르면 X 게이트는 “NOT” 게이트 일 수 있으며, Z 게이트는

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행렬을 의미하는 게이트일 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 도 3a에서 도시하고 있는 MC-Z 게이트와 도 3b에서 도시하고 있는 MC-Z 게이트는 동일한 동작을 수행할 수 있다.According to an embodiment, the X gate may be a “NOT” gate, and the Z gate is
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It may be a gate meaning a matrix. According to various embodiments, the MC-Z gate illustrated in FIG. 3A and the MC-Z gate illustrated in FIG. 3B may perform the same operation.

일 실시예에 따르면, 순환 상태에 유니터리 변환 D를 작용하여 표적 상태의 가중치를 높일 수 있다. 그러나, 순환 상태와 순환길이 상태가 얽혀있기(entangled) 때문에, 순환 상태에 D가 작용하지 않을 수 있다. 따라서 역-양자 위상추정을 수행하여 분리 가능한 상태로 만들고 D를 작용할 수 있다. According to an embodiment, the weight of the target state may be increased by applying the unitary transformation D to the circulating state. However, since the circulating state and the circulating length state are entangled, D may not act on the circulating state. Therefore, by performing inverse-quantum phase estimation, it is possible to make it separable and act on D.

한편, 앞서 언급한 예시에서는 π보다 짧은 순환을 기준으로 외판원 결정 문제를 구성했지만, 다른 순환길이를 기준으로 외판원 결정 문제를 구성할 수도 있다. 본 발명에 따를 경우, 어떤 순환길이에 대한 외판원 결정 문제도 MC-Z 게이트 구성만 바꿔 해결할 수 있다.On the other hand, in the above-described example, the problem of determining the salesman is constructed based on a cycle shorter than π, but the problem of determining the salesman may be constructed based on a different circulation length. According to the present invention, the problem of determining the traveling salesman for a certain circulation length can be solved by changing only the configuration of the MC-Z gate.

일 실시예에 따르면, 도 2에서 도시하고 있는 회로에 의한 세부 계산을 정리하면 다음과 같을 수 있다.According to an embodiment, detailed calculations by the circuit shown in FIG. 2 may be summarized as follows.

Figure 112019106186668-pat00043
Figure 112019106186668-pat00043

일 실시예에 따르면, 최종적으로 100%의 확률로 |C6> = |10110100>을 측정하여 고전 비트 10110100을 얻을 수 있다. 앞선 예를 인용해보면, 얻은 상기 결과로 측정한 상태는 0→3→1→2→0 경로에 대응함을 알 수 있다. 즉, 본 발명에 따를 경우, π보다 짧은 순환이 1개 있고, 그 순환은 0→3→1→2→0이므로 0→3→1→2→0은 최단 순환임을 알 수 있다.According to an embodiment, the classical bit 10110100 may be obtained by finally measuring |C6> = |10110100> with a 100% probability. By citing the previous example, it can be seen that the state measured by the obtained result corresponds to the path 0→3→1→2→0. That is, according to the present invention, there is one cycle shorter than π, and the cycle is 0→3→1→2→0, so it can be seen that 0→3→1→2→0 is the shortest cycle.

한편, 앞서 언급한 실시예에서는 도시 사이의 거리가 대칭인 경우를 언급하였으나 본 발명의 권리범위가 도시 사이 거리가 대칭인 경우에만 국한되는 것은 아니다. 따라서 이하에서는 도시 사이 거리가 비대칭인 경우 외판원 문제 해결 방법을 개시한다.Meanwhile, in the above-mentioned embodiment, the case where the distance between cities is symmetric is mentioned, but the scope of the present invention is not limited to the case where the distance between cities is symmetric. Therefore, hereinafter, a method for solving the problem of a salesman when the distance between cities is asymmetric is disclosed.

앞서 도 1에 대한 설명에서 언급한 바와 같이 도시가 4개인 경우를 가정해보자. 다만, 도시 사이의 거리가 비대칭이며, 구체적으로 도시 사이의 거리가 다음과 같은 경우를 가정해 볼 경우, 모든 순환의 고유벡터와 순환길이는 다음 표 3과 같을 수 있다.As previously mentioned in the description of FIG. 1, assume that there are four cities. However, assuming that the distance between cities is asymmetric, and specifically, the distance between cities is as follows, the eigenvectors and circulation lengths of all circulations may be as shown in Table 3 below.

Figure 112019106186668-pat00044
Figure 112019106186668-pat00044

순환 번호Circular number 순환 경로Circulation path 고유벡터Eigenvector 순환길이Circulation length 1One

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Figure 112019106186668-pat00062
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일 실시예에 따르면, 순환 번호 1 내지 순환 번호 6의 순환이 모두 중첩된 상태를 준비할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 이 중첩 상태는 도시가 4개인 외판원 문제의 모든 순환을 포함할 수 있다. 한편, 도시 거리가 비대칭인 경우에는 도시 거리가 대칭인 경우와 다르게 모든 순환 상태의 가중치가 동일하지 않을 수 있다.상기 표 2를 바탕으로 순환길이가 7π/8보다 짧은 순환이 존재하는지 여부를 살펴보면, 7π/8보다 짧은 순환이 1개(6번 순환) 존재하고, 그 가중치가 대략 0.353이므로 양자 카운팅 알고리즘으로 추정한 회전각 θ는 약 41°일 수 있다. 따라서 본 실시예는 그로버 연산자 G를 두 번 수행한 그로버 검색 알고리즘으로 최단 순환을 찾을 수 있다. 이하에서는 최단 순환을 찾는 과정을 구체적으로 기술한다.According to an embodiment, it is possible to prepare a state in which all the cycles of the cycle numbers 1 to 6 are overlapped. According to various embodiments, this overlapping state may include all cycles of the four-city salesman problem. On the other hand, when the city distance is asymmetric, the weights of all cycle states may not be the same, unlike the case where the city distance is symmetric. Looking at whether there is a cycle with a circulation length shorter than 7π/8 based on Table 2 above. , Since there is one cycle (6 cycles) shorter than 7π/8, and its weight is approximately 0.353, the rotation angle θ estimated by the quantum counting algorithm may be about 41°. Therefore, in this embodiment, the shortest cycle can be found with a Grover search algorithm that performs Grover operator G twice. Hereinafter, the process of finding the shortest cycle will be described in detail.

일 실시예에 따르면, 양자 위상추정으로 각 상태에 대응하는 순환길이를 얻을 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 순환길이의 최소 단위가 π/8이므로 양자 위상추정에 사용하는 큐비트는 4개일 수 있다. 이 같은 상황에서 순환길이가 7π/8보다 짧은 순환이 존재하는지 여부를 고려하기 위해서는 7π/8보다 짧은 순환길이 상태의 부호를 바꿔야 한다. 이를 위해 일차적으로 첫 번째 큐비트가 |0>인 상태의 부호를 바꿀 수 있다. 이 경우, 순환길이가 7π/8인 순환길이 상태의 부호도 함께 바뀔 수 있다. According to an embodiment, a cycle length corresponding to each state may be obtained through quantum phase estimation. According to various embodiments, since the minimum unit of the circular length is π/8, the number of qubits used for quantum phase estimation may be four. In this situation, in order to consider whether there is a cycle with a cycle length shorter than 7π/8, it is necessary to change the sign of a cycle length shorter than 7π/8. For this purpose, the sign of the state where the first qubit is |0> can be changed. In this case, the sign of the state of the circulation length of which the circulation length is 7π/8 may also be changed.

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 외판원 문제를 해결하기 위한 MC-Z 게이트의 구성을 나타낸 도면이다. 보다 구체적으로 도 4a 및 도 4b는 7π/8보다 짧은 순환 상태의 부호를 바꾸는 MC-Z 게이트의 구성을 나타낸 도면이다. 일 실시예에 따르면, 도 4a에서 도시하고 있는 MC-Z 게이트와 도 4b에서 도시하고 있는 MC-Z 게이트는 동일한 동작을 수행할 수 있다.4A and 4B are diagrams showing the configuration of an MC-Z gate for solving a traveling salesman problem according to an embodiment of the present invention. More specifically, FIGS. 4A and 4B are diagrams showing the configuration of an MC-Z gate that changes the sign of a circulating state shorter than 7π/8. According to an embodiment, the MC-Z gate illustrated in FIG. 4A and the MC-Z gate illustrated in FIG. 4B may perform the same operation.

일 실시예에 따르면, 이후, 역-양자 위상추정을 수행하여 분리 가능한 상태로 만들고 D를 작용하여 표적 상태의 가중치를 높일 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 도시 거리가 대칭인 경우의 예에서 설명한 바와 같이 그로버 연산자 G를 두 번 반복하여 표적 상태의 가중치를 최대로 높일 수 있다. 즉, 양자 위상추정부터 일련의 과정을 한 번 더 반복할 수 있다.According to an embodiment, afterwards, inverse-quantum phase estimation is performed to make the state separable, and D is applied to increase the weight of the target state. According to various embodiments, the weight of the target state may be maximized by repeating the Grover operator G twice as described in the case where the city distance is symmetrical. That is, from the quantum phase estimation, a series of processes can be repeated once more.

일 실시예에 따르면, 앞서 언급한 표 3의 결과를 도 2에서 도시한 회로도에 적용할 경우 최종적으로 약 0.95의 확률로 |C5> = |11100001>를 측정하여 고전 비트 11100001을 얻을 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 측정 결과로 측정한 상태는 0→2→1→3→0 경로에 대응할 수 있다. 보다 구체적으로 7π/8보다 짧은 순환이 한 개 있고, 그 순환은 0→2→1→3→0이므로, 0→2→1→3→0 순환이 최단 순환임을 알 수 있다.According to an embodiment, when the results of Table 3 mentioned above are applied to the circuit diagram shown in FIG. 2, the classical bit 11100001 can be obtained by finally measuring |C5> = |11100001> with a probability of about 0.95. According to various embodiments, a state measured as a measurement result may correspond to a path 0→2→1→3→0. More specifically, there is one cycle shorter than 7π/8, and the cycle is 0→2→1→3→0, so it can be seen that the 0→2→1→3→0 cycle is the shortest cycle.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 외판원 문제 해결 방법의 흐름도이다. 도 5에서 도시하고 있는 흐름도는 도 7에서 도시하고 있는 전자 장치에 의해 수행될 수 있다.5 is a flowchart of a method for solving a salesman problem according to an embodiment of the present invention. The flowchart shown in FIG. 5 may be performed by the electronic device shown in FIG. 7.

일 실시예에 따르면, S510 단계에서 모든 노드들을 경유하는 복수개의 순환 각각에 대응하는 고유벡터들이 서로 중첩되도록 설정할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, S510 단계 이전에 외판원 문제 해결을 위한 초기값을 설정하는 단계가 포함될 수 있다. 예를 들어, 외판원 문제가 대칭적인 경우인지 또는 비대칭적인 경우인지에 따라 외판원 문제 해결을 위한 초기값이 다르게 설정될 수 있다.According to an embodiment, in step S510, eigenvectors corresponding to each of a plurality of cycles passing through all nodes may be set to overlap each other. According to various embodiments, the step of setting an initial value for solving the salesman problem may be included before step S510. For example, the initial value for solving the salesman problem may be set differently depending on whether the salesman problem is symmetrical or asymmetrical.

일 실시예에 따르면, S520 단계에서 상기 고유벡터들이 중첩된 상태에 유니터리 행렬을 이용한 양자 위상추정을 적용하여 외판원 문제의 모든 순환길이에 대응하는 데이터베이스를 결정할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 유니터리 행렬을 고유벡터에 대응되는 위상은 외판원 문제를 구성하는 노드 사이 거리의 합일 수 있다.According to an embodiment, in step S520, a database corresponding to all circulation lengths of the salesman problem may be determined by applying a quantum phase estimation using a unitary matrix to a state in which the eigenvectors are overlapped. According to various embodiments, the phase corresponding to the eigenvector of the unitary matrix may be a sum of distances between nodes constituting the traveling salesman problem.

일 실시예에 따르면, 양자 위상추정은 아래의 수식에 기반하여 적용될 수 있다.According to an embodiment, the quantum phase estimation may be applied based on the following equation.

Figure 112019106186668-pat00063
Figure 112019106186668-pat00063

N: 노드의 개수, |Cj>: 특정 순환에 대응하는 고유벡터, QPE: 양자 위상추정, |Dj>: 특정 순환에 대응하는 데이터 상태N: number of nodes, |C j >: eigenvector corresponding to a specific cycle, QPE: quantum phase estimation, |D j >: data state corresponding to a specific cycle

일 실시예에 따르면, S530 단계에서 상기 데이터베이스의 순환길이와 기설정된 기준값을 비교하여 모든 노드들을 경유하는 최단 경로를 결정할 수 있다. S530 단계에 대한 구체적인 설명은 도 6에 대한 설명으로 후술한다.According to an embodiment, in step S530, the shortest path through all nodes may be determined by comparing the circulation length of the database with a preset reference value. A detailed description of step S530 will be described later with reference to FIG. 6.

한편, 도시하지는 않았으나, 본 발명에 따른 외판원 문제 해결 방법은 상기 데이터베이스에 역-양자 위상추정을 적용하여 상기 데이터베이스를 분리 가능한 상태로 구성하는 단계, 상기 분리 가능한 상태로 구성된 데이터베이스를 유니터리 변환하는 단계, 및 유니터리 변환된 결과값에 기반하여 모든 노드들을 경유하는 최단 경로를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.On the other hand, although not shown, the method for solving the salesman problem according to the present invention includes the steps of configuring the database in a detachable state by applying inverse-quantum phase estimation to the database, and unitary converting the database configured in the detachable state. , And determining a shortest path through all nodes based on the unitary-transformed result value.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 최단 경로 결정 방법의 흐름도이다.6 is a flowchart of a method for determining a shortest path according to an embodiment of the present invention.

일 실시예에 따르면, S610 단계에서 S520 단계를 통해 결정된 데이터베이스에 양자 카운팅 알고리즘을 적용하여 상기 데이터베이스에 대응되는 그로버 연산자 회전각을 결정할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, S620 단계에서 그로버 연산자 회전각이 0°인지 여부를 확인할 수 있다.According to an embodiment, a rotation angle of a Grover operator corresponding to the database may be determined by applying a quantum counting algorithm to the database determined in step S520 in step S610. According to various embodiments, in step S620, it may be checked whether the rotation angle of the Grover operator is 0°.

일 실시예에 따르면, S620 단계에서 그로버 연산자 회전각이 0°라고 판단한 경우, 기설정된 기준값보다 짧은 순환길이가 존재하지 않는다고 판단할 수 있다. 즉, S630 단계를 통해 결정된 그로버 연산자 회전각에 대응되는 순환길이가 최단 경로라고 판단할 수 있다.According to an embodiment, when it is determined in step S620 that the rotation angle of the Grover operator is 0°, it may be determined that there is no circulation length shorter than a preset reference value. That is, it may be determined that the circulation length corresponding to the rotation angle of the Grover operator determined in step S630 is the shortest path.

일 실시예에 따르면, S620 단계에서 그로버 연산자 회전각이 0°가 아니라고 판단한 경우, S640 단계를 통해 상기 그로버 연산자 회전각 크기에 기반하여 가중치를 결정할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, S650 단계에서 결정된 상기 가중치를 기설정된 기준값에 적용하여 상기 기준값의 크기를 감소시킬 수 있다.According to an embodiment, when it is determined in step S620 that the rotation angle of the grover operator is not 0°, the weight may be determined based on the size of the rotation angle of the grover operator through step S640. According to various embodiments, the size of the reference value may be reduced by applying the weight determined in step S650 to a preset reference value.

일 실시예에 따르면, S660 단계에서 상기 데이터베이스의 순환길이와 크기가 감소된 기준값을 비교하여 모든 노드들을 경유하는 최단 경로를 결정할 수 있다. 즉, 본 발명에 따를 경우 S610 단계를 통해 결정된 그로버 연산자 회전각에 대응되는 순환길이가 최단 경로가 아니라 하더라도 S640 내지 S660 단계를 통해 최단 경로를 결정할 수 있다. According to an embodiment, in step S660, the shortest path through all nodes may be determined by comparing a reference value with a reduced circulating length and a size of the database. That is, according to the present invention, the shortest path may be determined through steps S640 to S660 even if the circulation length corresponding to the rotation angle of the Grover operator determined through step S610 is not the shortest path.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 장치의 블록도이다.7 is a block diagram of an electronic device according to an embodiment of the present invention.

일 실시예에 따르면, 전자 장치는 외판원 문제를 해결하기 위한 제어부(700)를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 제어부(700)는 모든 노드들을 경유하는 복수개의 순환 각각에 대응하는 고유벡터들이 서로 중첩되도록 설정하는 데이터설정부(710), 상기 고유벡터들이 중첩된 상태에 유니터리 행렬을 이용한 양자 위상추정을 적용하여 외판원 문제의 모든 순환길이에 대응하는 데이터베이스를 결정하는 데이터베이스 결정부(720) 및 상기 데이터베이스의 순환길이와 기설정된 기준값을 비교하여 모든 노드들을 경유하는 최단 경로를 결정하는 외판원 문제 해결부(730)를 포함할 수 있다.According to an embodiment, the electronic device may include a control unit 700 for solving the problem of a salesman. According to various embodiments, the control unit 700 includes a data setting unit 710 that sets eigenvectors corresponding to each of a plurality of cycles through all nodes to overlap each other, and a unitary matrix in a state in which the eigenvectors are overlapped. A database determination unit 720 that determines a database corresponding to all circulation lengths of the salesman problem by applying the used quantum phase estimation, and a salesman who determines the shortest path through all nodes by comparing the circulation length of the database with a preset reference value It may include a problem solving unit 730.

일 실시예에 따르면, 상기 외판원 문제 해결부(730)는 상기 데이터베이스에 양자 카운팅 알고리즘(quantum counting algorithm)을 적용하여 상기 데이터베이스에 대응되는 그로버 연산자(grover operator) 회전각을 결정하고, 상기 그로버 연산자 회전각이 0인 경우, 상기 기준값보다 짧은 순환길이가 존재하지 않는다고 판단하며, 상기 그로버 연산자 회전각이 0이 아닌 경우, 상기 기준값보다 짧은 순환길이가 존재한다고 판단할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 상기 외판원 문제 해결부(730)는 그로버 연산자 회전각이 0이 아닌 경우, 상기 그로버 연산자 회전각 크기에 기반하여 가중치를 결정하고, 상기 가중치를 상기 기준값에 적용하여 상기 기준값의 크기를 감소시키며, 상기 데이터베이스의 순환길이와 크기가 감소된 기준값을 비교하여 모든 노드들을 경유하는 최단 경로를 결정할 수 있다.According to an embodiment, the traveling salesman problem solving unit 730 determines a rotation angle of a Grover operator corresponding to the database by applying a quantum counting algorithm to the database, and the Grover operator rotation When the angle is 0, it is determined that there is no circulation length shorter than the reference value, and when the Grover operator rotation angle is not 0, it may be determined that there is a circulation length shorter than the reference value. According to various embodiments, the traveling salesman problem solving unit 730 determines a weight based on the size of the glover operator rotation angle, and applies the weight to the reference value when the glover operator rotation angle is not 0. The size is reduced, and the shortest path through all nodes may be determined by comparing the circular length of the database with a reference value whose size is reduced.

일 실시예에 따르면, 상기 외판원 문제 해결부(730)는 상기 데이터베이스에 역-양자 위상추정을 적용하여 상기 데이터베이스를 분리 가능한 상태로 구성하고, 상기 분리 가능한 상태로 구성된 데이터베이스를 유니터리 변환하며, 유니터리 변환된 결과값에 기반하여 모든 노드들을 경유하는 최단 경로를 결정할 수 있다.According to an embodiment, the salesman problem solving unit 730 configures the database in a detachable state by applying an inverse-quantum phase estimation to the database, and converts the database configured in the detachable state into a unitary conversion. The shortest path through all the nodes can be determined based on the result of the transformation.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.So far, the present invention has been looked at around its preferred embodiments. Those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will be able to understand that the present invention can be implemented in a modified form without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments should be considered from an illustrative point of view rather than a limiting point of view. The scope of the present invention is shown in the claims rather than the above description, and all differences within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the present invention.

Claims (12)

복수개의 노드에 대한 외판원 문제 해결 방법에 있어서,
모든 노드들을 경유하는 복수개의 순환 각각에 대응하는 고유벡터들이 서로 중첩되도록 설정하는 단계;
상기 고유벡터들이 중첩된 상태에 유니터리 행렬을 이용한 양자 위상추정을 적용하여 외판원 문제의 모든 순환길이에 대응하는 외판원의 경로 데이터베이스를 결정하는 단계;
상기 외판원의 경로 데이터베이스의 순환길이와 기설정된 기준값을 비교하여 모든 노드들을 경유하는 최단 경로를 결정하는 단계;
상기 외판원의 경로 데이터베이스에 역-양자 위상추정을 적용하여 상기 외판원의 경로 데이터베이스를 분리 가능한 상태로 구성하는 단계;
상기 분리 가능한 상태로 구성된 외판원의 경로 데이터베이스를 유니터리 변환하는 단계; 및
유니터리 변환된 결과값에 기반하여 모든 노드들을 경유하는 최단 경로를 결정하는 단계를 포함하는,
외판원 문제 해결 방법.
In a method for solving a salesman problem for a plurality of nodes,
Setting eigenvectors corresponding to each of the plurality of cycles through all nodes to overlap each other;
Determining a path database of a traveling salesman corresponding to all circulation lengths of the salesman problem by applying a quantum phase estimation using a unitary matrix to the state in which the eigenvectors are overlapped;
Determining a shortest route through all nodes by comparing a circulation length of the salesman's route database with a preset reference value;
Applying an inverse-quantum phase estimation to the salesman’s route database to configure the salesman’s route database in a detachable state;
Unitary conversion of the route database of the salesman configured in the detachable state; And
Including the step of determining the shortest path through all the nodes based on the unitary transformed result,
How to solve the salesman problem.
복수개의 노드에 대한 외판원 문제 해결 방법에 있어서,
모든 노드들을 경유하는 복수개의 순환 각각에 대응하는 고유벡터들이 서로 중첩되도록 설정하는 단계;
상기 고유벡터들이 중첩된 상태에 유니터리 행렬을 이용한 양자 위상추정을 적용하여 외판원 문제의 모든 순환길이에 대응하는 외판원의 경로 데이터베이스를 결정하는 단계; 및
상기 외판원의 경로 데이터베이스의 순환길이와 기설정된 기준값을 비교하여 모든 노드들을 경유하는 최단 경로를 결정하는 단계를 포함하고,
상기 최단 경로를 결정하는 단계는,
상기 외판원의 경로 데이터베이스에 양자 카운팅 알고리즘(quantum counting algorithm)을 적용하여 상기 외판원의 경로 데이터베이스에 대응되는 그로버 연산자(grover operator) 회전각을 결정하는 단계; 및
상기 그로버 연산자 회전각이 0인 경우, 상기 기준값보다 짧은 순환길이가 존재하지 않는다고 판단하고, 상기 그로버 연산자 회전각이 0이 아닌 경우, 상기 기준값보다 짧은 순환길이가 존재한다고 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
외판원 문제 해결 방법.
In a method for solving a salesman problem for a plurality of nodes,
Setting eigenvectors corresponding to each of the plurality of cycles through all nodes to overlap each other;
Determining a path database of a traveling salesman corresponding to all circulation lengths of the salesman problem by applying a quantum phase estimation using a unitary matrix to the state in which the eigenvectors are overlapped; And
Comprising the step of determining the shortest path through all the nodes by comparing the circulation length of the path database of the salesman and a preset reference value,
The step of determining the shortest path,
Determining a rotation angle of a Grover operator corresponding to the salesman’s route database by applying a quantum counting algorithm to the salesman’s route database; And
If the Grover operator rotation angle is 0, determining that there is no circulation length shorter than the reference value, and when the Grover operator rotation angle is not 0, determining that there is a circulation length shorter than the reference value. Characterized by,
How to solve the salesman problem.
제2항에 있어서,
상기 그로버 연산자 회전각이 0이 아닌 경우, 상기 그로버 연산자 회전각 크기에 기반하여 가중치를 결정하는 단계;
상기 가중치를 상기 기준값에 적용하여 상기 기준값의 크기를 감소시키는 단계; 및
상기 외판원의 경로 데이터베이스의 순환길이와 크기가 감소된 기준값을 비교하여 모든 노드들을 경유하는 최단 경로를 결정하는 단계를 더 포함하는,
외판원 문제 해결 방법.
The method of claim 2,
If the Grover operator rotation angle is not 0, determining a weight based on the Grover operator rotation angle size;
Reducing the size of the reference value by applying the weight to the reference value; And
The step of determining the shortest path through all the nodes by comparing the reference value of the reduced size and the circulation length of the path database of the salesman,
How to solve the salesman problem.
제2항에 있어서,
상기 유니터리 행렬은 하기 수학식 1에 기반하여 결정되고, 상기 유니터리 행렬의 고유벡터에 대응되는 위상은 노드 사이 거리의 합인 것을 특징으로 하는,
외판원 문제 해결 방법.
[수학식 1]
Figure 112020112808534-pat00064

U: 유니터리 행렬
Um:
Figure 112020112808534-pat00065
The method of claim 2,
The unitary matrix is determined based on Equation 1 below, and a phase corresponding to the eigenvector of the unitary matrix is a sum of distances between nodes,
How to solve the salesman problem.
[Equation 1]
Figure 112020112808534-pat00064

U: unitary matrix
U m :
Figure 112020112808534-pat00065
제2항에 있어서,
상기 외판원의 경로 데이터베이스를 결정하는 단계는 하기 수학식 2에 기반하여 양자 위상추정을 적용하는 것을 특징으로 하는,
외판원 문제 해결 방법.
[수학식 2]
Figure 112020112808534-pat00066

N: 노드의 개수, |Cj>: 특정 순환에 대응하는 고유벡터, QPE: 양자 위상추정, |Dj>: 특정 순환에 대응하는 데이터 상태
The method of claim 2,
The step of determining the path database of the traveling salesman is characterized by applying a quantum phase estimation based on Equation 2 below,
How to solve the salesman problem.
[Equation 2]
Figure 112020112808534-pat00066

N: number of nodes, |C j >: eigenvector corresponding to a specific cycle, QPE: quantum phase estimation, |D j >: data state corresponding to a specific cycle
삭제delete 외판원 문제를 해결하기 위한 제어부를 포함하는 전자 장치에 있어서,
상기 제어부는,
모든 노드들을 경유하는 복수개의 순환 각각에 대응하는 고유벡터들이 서로 중첩되도록 설정하는 데이터설정부;
상기 고유벡터들이 중첩된 상태에 유니터리 행렬을 이용한 양자 위상추정을 적용하여 외판원 문제의 모든 순환길이에 대응하는 외판원의 경로 데이터베이스를 결정하는 데이터베이스 결정부; 및
상기 외판원의 경로 데이터베이스의 순환길이와 기설정된 기준값을 비교하여 모든 노드들을 경유하는 최단 경로를 결정하는 외판원 문제 해결부를 포함하고,
상기 외판원 문제 해결부는 상기 외판원의 경로 데이터베이스에 역-양자 위상추정을 적용하여 상기 외판원의 경로 데이터베이스를 분리 가능한 상태로 구성하고, 상기 분리 가능한 상태로 구성된 외판원의 경로 데이터베이스를 유니터리 변환하며, 유니터리 변환된 결과값에 기반하여 모든 노드들을 경유하는 최단 경로를 결정하는 것을 특징으로 하는,
전자 장치.
In the electronic device including a control unit for solving the problem of the salesman,
The control unit,
A data setting unit for setting eigenvectors corresponding to each of a plurality of cycles passing through all nodes to overlap each other;
A database determining unit for determining a path database of a salesman corresponding to all circulating lengths of the salesman problem by applying a quantum phase estimation using a unitary matrix to the state in which the eigenvectors are overlapped; And
A salesman problem solving unit for determining a shortest route through all nodes by comparing the circulation length of the salesman’s route database with a preset reference value,
The salesman problem solving unit configures the salesman's route database in a detachable state by applying an inverse-quantum phase estimation to the salesman’s route database, unitary converts the salesman’s route database configured in the detachable condition, and unitary Characterized in that, based on the converted result value, the shortest path through all nodes is determined,
Electronic device.
외판원 문제를 해결하기 위한 제어부를 포함하는 전자 장치에 있어서,
상기 제어부는,
모든 노드들을 경유하는 복수개의 순환 각각에 대응하는 고유벡터들이 서로 중첩되도록 설정하는 데이터설정부;
상기 고유벡터들이 중첩된 상태에 유니터리 행렬을 이용한 양자 위상추정을 적용하여 외판원 문제의 모든 순환길이에 대응하는 외판원의 경로 데이터베이스를 결정하는 데이터베이스 결정부; 및
상기 외판원의 경로 데이터베이스의 순환길이와 기설정된 기준값을 비교하여 모든 노드들을 경유하는 최단 경로를 결정하는 외판원 문제 해결부를 포함하고,
상기 외판원 문제 해결부는 상기 외판원의 경로 데이터베이스에 양자 카운팅 알고리즘(quantum counting algorithm)을 적용하여 상기 외판원의 경로 데이터베이스에 대응되는 그로버 연산자(grover operator) 회전각을 결정하고, 상기 그로버 연산자 회전각이 0인 경우, 상기 기준값보다 짧은 순환길이가 존재하지 않는다고 판단하며, 상기 그로버 연산자 회전각이 0이 아닌 경우, 상기 기준값보다 짧은 순환길이가 존재한다고 판단하는 것을 특징으로 하는,
전자 장치.
In the electronic device including a control unit for solving the problem of the salesman,
The control unit,
A data setting unit for setting eigenvectors corresponding to each of a plurality of cycles passing through all nodes to overlap each other;
A database determining unit for determining a path database of a salesman corresponding to all circulating lengths of the salesman problem by applying a quantum phase estimation using a unitary matrix to the state in which the eigenvectors are overlapped; And
A salesman problem solving unit for determining a shortest route through all nodes by comparing the circulation length of the salesman’s route database with a preset reference value,
The salesman problem solving unit determines a Grover operator rotation angle corresponding to the salesman’s route database by applying a quantum counting algorithm to the salesman’s route database, and the Grover operator’s rotation angle is zero. In case, it is determined that there is no circulation length shorter than the reference value, and when the rotation angle of the Grover operator is not 0, it is determined that there is a circulation length shorter than the reference value,
Electronic device.
제8항에 있어서,
상기 외판원 문제 해결부는 그로버 연산자 회전각이 0이 아닌 경우, 상기 그로버 연산자 회전각 크기에 기반하여 가중치를 결정하고, 상기 가중치를 상기 기준값에 적용하여 상기 기준값의 크기를 감소시키며, 상기 외판원의 경로 데이터베이스의 순환길이와 크기가 감소된 기준값을 비교하여 모든 노드들을 경유하는 최단 경로를 결정하는 것을 특징으로 하는,
전자 장치.
The method of claim 8,
The traveling salesman problem solving unit determines a weight based on the size of the Grover operator rotation angle, when the Grover operator rotation angle is not 0, applies the weight to the reference value to reduce the size of the reference value, and reduces the size of the reference value, and the traveling salesman's path database Characterized in that the shortest path through all nodes is determined by comparing the reference value of which the circulation length of is reduced and the size of,
Electronic device.
제8항에 있어서,
상기 유니터리 행렬은 하기 수학식 3에 기반하여 결정되고, 상기 유니터리 행렬의 고유벡터에 대응되는 위상은 노드 사이 거리의 합인 것을 특징으로 하는,
전자 장치.
[수학식 3]
Figure 112020112808534-pat00067

U: 유니터리 행렬
Um:
Figure 112020112808534-pat00068
The method of claim 8,
The unitary matrix is determined based on Equation 3 below, and a phase corresponding to the eigenvector of the unitary matrix is a sum of distances between nodes,
Electronic device.
[Equation 3]
Figure 112020112808534-pat00067

U: unitary matrix
Um:
Figure 112020112808534-pat00068
제8항에 있어서,
상기 데이터베이스 결정부는 하기 수학식 4에 기반하여 양자 위상추정을 적용하는 것을 특징으로 하는,
전자 장치.
[수학식 4]
Figure 112020112808534-pat00069

N: 노드의 개수, |Cj>: 특정 순환에 대응하는 고유벡터, QPE: 양자 위상추정, |Dj>: 특정 순환에 대응하는 데이터 상태
The method of claim 8,
The database determining unit is characterized in that applying a quantum phase estimation based on Equation 4 below,
Electronic device.
[Equation 4]
Figure 112020112808534-pat00069

N: number of nodes, |Cj>: eigenvector corresponding to specific cycle, QPE: quantum phase estimation, |Dj>: data state corresponding to specific cycle
삭제delete
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CN113148507A (en) * 2021-03-11 2021-07-23 上海电气慧程智能系统有限公司 Planning method and device for biological sample access path and electronic equipment

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