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  1. NTU Theses and Dissertations Repository
  2. 電機資訊學院
  3. 資訊工程學系
請用此 Handle URI 來引用此文件: http://tdr.lib.ntu.edu.tw/jspui/handle/123456789/98606
標題: 可擴展且可平行的 QAOA 模擬器,用於解決背包問題
A Scalable and Parallel QAOA Simulator for Solving the Knapsack Problem
作者: 侯善融
Shan-Jung Hou
指導教授: 洪士灝
Shih-Hao Hung
關鍵字: 量子近似優化演算法,背包問題,量子電路模擬,高效能計算,參數優化,
Quantum Approximate Optimization Algorithm (QAOA),Knapsack Problem,Quantum Circuit Simulation,High-Performance Computing,Parameter Optimization,
出版年 : 2025
學位: 碩士
摘要: 本論文旨在解決量子近似優化演算法(QAOA)在傳統電腦上模擬的效能瓶頸,我們針對背包問題開發了一套高效能平行模擬器。核心創新包含兩點:一、名為「依需求張量積」的電路模擬技術,可將無糾纏電路的複雜度從指數級降至線性級 (O(n)) ; 而對於更複雜的 Copula 混合器,也能帶來 n 倍的理論加速。二、我們提出一種「漸進式搜索」(Progressive Search)策略,透過二階段的由粗至精搜索,將參數優化效率提升超過 7 倍,同時對最終的解品質影響極小。
結合上述創新與多 GPU 平行化,本研究成功將模擬規模從過去的 10 個量子位元擴展至 100 個,並將數小時的計算縮短至數秒內,總體效能提升超過 400 倍。此外,本研究根據問題規模,為 Copula 與沙漏(Hourglass)兩種混合器的選擇提供了實用的效能與精度權衡建議。
This thesis addresses the performance bottlenecks in classical simulations of the Quantum Approximate Optimization Algorithm (QAOA) at depth p=1 by developing a high-performance, parallel simulator for the Knapsack Problem. Its core innovations are twofold: 1) A ”Tensor Product on Demand” circuit simulation technique that reduces complexity from exponential to linear (O(n)) for entangle-free circuits and provides an n-fold speedup for complex mixers. 2) A ”Progressive Search” strategy that improves parameter optimization efficiency by over 7x through a two-phase search while having a negligible impact on the final solution quality.
Integrating these innovations with multi-GPU parallelization, our work successfully scales simulations from the previous 10-qubit limit to 100 qubits. This slashes computation times from hours to seconds, achieving an overall performance gain of over 400x. The research also provides practical guidance on the trade-offs between the Copula and Hourglass mixers, depending on problem scale, for balancing performance and accuracy.
URI: http://tdr.lib.ntu.edu.tw/jspui/handle/123456789/98606
DOI: 10.6342/NTU202503308
全文授權: 同意授權(全球公開)
電子全文公開日期: 2025-08-18
顯示於系所單位:資訊工程學系

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