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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