概述#

1. 产品定位#

Kaiwu SDK 社区版 是一套开源的软件开发套件，专为 QUBO（二次无约束二进制优化）问题求解 而设计。它提供了便捷的Python环境，帮助开发者快速构建QUBO模型并高效求解，加速QUBO相关应用的开发和研究。

核心价值#

快速建模：简洁易用的接口，支持快速构建复杂的QUBO模型
灵活扩展：模块化设计，允许开发者轻松扩展新的求解器和优化算法
内置工具：包含基础求解器和优化器，支持快速验证模型效果
开源自由：基于Apache 2.0许可证，完全开源，支持商业和非商业使用

2. 应用场景#

Kaiwu SDK 社区版适用于多种场景，帮助不同用户解决实际问题：

用户类型	实际问题	SDK价值
研究人员	探索QUBO问题建模方法，验证新优化算法性能，开展量子计算相关研究	提供快速建模和求解能力，加速研究进程
开发者	构建自定义QUBO求解器，开发基于QUBO的应用，集成求解功能到现有系统	模块化设计，支持灵活扩展和快速开发
企业用户	开发QUBO解决方案原型，优化业务流程和资源配置，探索量子计算应用	降低开发成本，加速解决方案落地
学生和教育工作者	学习QUBO模型和求解方法，开展量子计算实验和项目	提供直观易用的工具，辅助教学和学习

3. 核心模块#

Kaiwu SDK 社区版采用模块化设计，包含以下核心模块：

模块名称	主要功能	用户价值
qubo	提供QUBO模型的构建和管理功能	帮助用户快速构建QUBO模型
ising	支持Ising模型的表示和转换	方便用户在QUBO和Ising模型之间转换
classical	包含经典优化算法，如BruteForceOptimizer	提供基础求解能力，支持快速验证模型
solver	提供求解器框架，支持调用不同的优化器	简化求解器调用流程，支持灵活扩展
core	提供核心数据结构和数学运算支持	提供高效的底层计算能力
common	提供通用工具和配置管理	简化开发流程，提高开发效率

4. 典型使用流程#

使用Kaiwu SDK 社区版解决QUBO问题的典型流程如下：

问题建模：使用qubo模块将实际问题转化为QUBO模型
模型配置：设置模型参数和求解选项
求解器选择：选择合适的求解器或优化器
模型求解：调用solver模块对QUBO模型进行求解
结果分析：分析求解结果，验证解决方案的有效性

5. 预备知识#

Ising模型#

伊辛模型(Ising Model)，是一类描述物质相变的随机过程模型。抽象为数学形式为：

$H(\sigma)=-\sum_{i,j}J_{ij}\sigma_i\sigma_j-\mu\sum_ih_i\sigma_i$

其中 $\sigma$ 为待求自旋变量，取值为 $\{-1,1\}$ ， $H$ 为哈密顿量， $J$ 为二次项系数， $\mu$ 和 $h$ 为线性项系数，是已知量。

QUBO模型#

二次无约束二值优化问题(Quadratic unconstrained binary optimization，简称QUBO)，其数学形式如下：

$f_Q(x)=\sum_{i\leqslant j}q_{ij}x_ix_j$

其中 $x$ 为待求二进制变量, 取值为 $\{0,1\}$ , $f$ 为目标函数, $q$ 为二次项系数, 是已知量. 写成线性代数的形式:

$f_Q(\pmb x)=\pmb x^T\pmb Q\pmb x$

其中, $\pmb x$ 为二进制向量, $\pmb Q$ 为QUBO矩阵, QUBO目标是找到使得 $f$ 最小或最大的 $\pmb x$ , 即:

$\pmb x^*=\mathop{\arg\min}\limits_{\pmb x}f_Q(\pmb x)$

6. 引用方式#

如果Kaiwu SDK 社区版对您的学术研究有帮助，欢迎引用：

@software{KaiwuSDKCommunity,
title = {Kaiwu SDK Community for QUBO problem solving},
author = {{QBoson Inc.}},
year = {2023},
url = {https://github.com/qbosontech/kaiwu_community}
}

或者

@misc{KaiwuSDKCommunity,
title = {Kaiwu SDK Community for QUBO problem solving},
author = {{QBoson Inc.}},
year = {2023},
url = {https://github.com/qbosontech/kaiwu_community}
}