Low-Autocorrelation Binary Sequence (LABS) Problem
The Low Autocorrelation Binary Sequence (LABS) problem aims to find a spin sequence $S=(s_i)$ ($s_i=\pm 1, 0\leq i\leq n-1$) that minimizes its autocorrelation. The autocorrelation of $S$ with alignment $d$ is defined as
\[\left(\sum_{i=0}^{n-d-1}s_is_{i+d}\right)^2\]The LABS objective function is the sum of these autocorrelations over all alignments:
\[\begin{aligned} \text{LABS}(S) &= \sum_{d=1}^{n-1}\left(\sum_{i=0}^{n-d-1}s_is_{i+d}\right)^2 \end{aligned}\]Spin-to-binary conversion
Since the solvers bundled with PyQBPP do not support spin variables directly, we convert the spin variables to binary variables using the following transformation:
\[\begin{aligned} s_i &\leftarrow 2s_i - 1 \end{aligned}\]PyQBPP provides this conversion through the spin_to_binary() function.
PyQBPP program for the LABS
import pyqbpp as qbpp
n = 30
s = qbpp.var("s", n)
labs = qbpp.expr()
for d in range(1, n):
temp = qbpp.expr()
for i in range(n - d):
temp += s[i] * s[i + d]
labs += qbpp.sqr(temp)
labs.spin_to_binary()
labs.simplify_as_binary()
solver = qbpp.EasySolver(labs)
sol = solver.search({"time_limit": 10.0, "enable_default_callback": 1})
bits = "".join("+" if sol(s[j]) == 1 else "-" for j in range(n))
print(f"{sol.energy}: {bits}")
In this program, s stores a vector of n variables. The Expr object labs is constructed using a nested loop, directly following the mathematical definition of the LABS objective.
Afterward, labs is converted into an expression over binary variables using the spin_to_binary() function and simplified by simplify_as_binary().
A typical output of this program is:
TTS = 0.000s Energy = 7742
...
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低自己相関バイナリ列 (LABS) 問題
低自己相関バイナリ列 (LABS) 問題は、自己相関を最小化するスピン列 $S=(s_i)$($s_i=\pm 1, 0\leq i\leq n-1$)を求める問題です。 位置ずれ $d$ における $S$ の自己相関は次のように定義されます:
\[\left(\sum_{i=0}^{n-d-1}s_is_{i+d}\right)^2\]LABS目的関数は、すべての位置ずれにわたるこれらの自己相関の和です:
\[\begin{aligned} \text{LABS}(S) &= \sum_{d=1}^{n-1}\left(\sum_{i=0}^{n-d-1}s_is_{i+d}\right)^2 \end{aligned}\]スピン変数からバイナリ変数への変換
PyQBPPに付属のソルバーはスピン変数を直接サポートしていないため、以下の変換を用いてスピン変数をバイナリ変数に変換します:
\[\begin{aligned} s_i &\leftarrow 2s_i - 1 \end{aligned}\]PyQBPPはこの変換を spin_to_binary() 関数で提供しています。
LABSのPyQBPPプログラム
import pyqbpp as qbpp
n = 30
s = qbpp.var("s", n)
labs = qbpp.expr()
for d in range(1, n):
temp = qbpp.expr()
for i in range(n - d):
temp += s[i] * s[i + d]
labs += qbpp.sqr(temp)
labs.spin_to_binary()
labs.simplify_as_binary()
solver = qbpp.EasySolver(labs)
sol = solver.search({"time_limit": 10.0, "enable_default_callback": 1})
bits = "".join("+" if sol(s[j]) == 1 else "-" for j in range(n))
print(f"{sol.energy}: {bits}")
このプログラムでは、s に n 個の変数のベクトルを格納します。 Expr オブジェクト labs はネストしたループを用いて構築され、LABS目的関数の数学的定義に直接対応しています。
その後、spin_to_binary() 関数を用いて labs をバイナリ変数上の式に変換し、simplify_as_binary() で簡約化します。
このプログラムの典型的な出力は以下の通りです:
TTS = 0.000s Energy = 7742
...
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