量子退火、数字退火及经典求解器在反应网络路径分析与mRNA密码子选择中的对比研究
针对各类优化问题,经典求解方法的时间复杂度往往呈超多项式增长,基于传统比特计算硬件至今仍难以有效处理。数字退火器和量子退火器通过二次无约束二值优化(QUBO)问题建模,有望为此类优化问题寻找近似最优解。该工作通过两个工业级应用案例对组合优化问题的QUBO求解器进行基准测试,旨在评估基于QUBO建模与退火算法是否比经典混合整数规划(MIP)和约束规划(CP)求解器更具优势。研究人员采用多种QUBO指标与求解器指标进行评估,包括问题映射、定量互联性、惩罚结构、求解器最低成本(获取得最优值)及求解耗时等。测试对象涵盖约束型与非约束型QUBO求解器:富士通数字退火器(DA)、D-Wave多种混合量子退火求解器(QA/HQA),以及经典MIP/CP求解器HiGHS、Gurobi、SCIP和CP-SAT。 两个工业相关案例分别为反应网络路径分析和mRNA密码子选择。在反应路径分析中,经典MIP/CP求解器能在合理时间内求得最优解,而DA未能实现。对于mRNA密码子选择任务,CP-SAT在标准规模及大型蛋白质数据集(1500个氨基酸以下)中表现最优;在超大规模数据集(11000至14000个氨基酸)测试中,D-Wave非线性HQA求解器与CP-SAT性能相当,其中在4个问题中有2个案例的最低成本指标优于后者。
