Combinatorial optimization with physics-inspired graph neural networks

组合优化 可微函数 人工神经网络 二次无约束二元优化 最大切割量 最优化问题 计算机科学 数学优化 图形 理论计算机科学 数学 人工智能 算法 量子计算机 物理 数学分析 量子 量子力学
作者
Martin J. A. Schuetz,J. Kyle Brubaker,Helmut G. Katzgraber
出处
期刊:Nature Machine Intelligence [Nature Portfolio]
卷期号:4 (4): 367-377 被引量:189
标识
DOI:10.1038/s42256-022-00468-6
摘要

Combinatorial optimization problems are pervasive across science and industry. Modern deep learning tools are poised to solve these problems at unprecedented scales, but a unifying framework that incorporates insights from statistical physics is still outstanding. Here we demonstrate how graph neural networks can be used to solve combinatorial optimization problems. Our approach is broadly applicable to canonical NP-hard problems in the form of quadratic unconstrained binary optimization problems, such as maximum cut, minimum vertex cover, maximum independent set, as well as Ising spin glasses and higher-order generalizations thereof in the form of polynomial unconstrained binary optimization problems. We apply a relaxation strategy to the problem Hamiltonian to generate a differentiable loss function with which we train the graph neural network and apply a simple projection to integer variables once the unsupervised training process has completed. We showcase our approach with numerical results for the canonical maximum cut and maximum independent set problems. We find that the graph neural network optimizer performs on par or outperforms existing solvers, with the ability to scale beyond the state of the art to problems with millions of variables.
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