- عنوان کتاب: Multilevel Quantum Metaheuristics. Applications in Data Exploration
- نویسنده: Siddhartha Bhattacharyya, Hiranmoy Roy
- حوزه: پردازش کوانتومی
- سال انتشار: 2026
- تعداد صفحه: 478
- زبان اصلی: انگلیسی
- نوع فایل: pdf
- حجم فایل: 8.55 مگابایت
محاسبات کوانتومی اساساً ترکیبی همافزایی از زمینههای فیزیک کوانتومی، نظریه اطلاعات کلاسیک و علوم کامپیوتر است. محققان اصول اساسی محاسبات کوانتومی را در ساختارهای فراابتکاری مختلف ترکیب کردهاند تا رویکردهای الگوریتمی الهامگرفته از کوانتوم را معرفی کنند. انگیزه اصلی این کارها، توسعه الگوریتمهایی با کارایی و قابلیت استفاده بالاتر از نمونههای موجود است. کامپیوترهای کوانتومی عمدتاً بر روی چندین ویژگی فیزیکی کوانتومی کار میکنند. اینها میتوانند جایگزینی برای کامپیوترهای امروزی باشند زیرا با توسل به پردازش توسط کیوبیتها، که حالتهای دو سطحی اساسی در یک سیستم کوانتومی هستند، قابلیتهای پردازش داده سریعتری (حتی به صورت نمایی) نسبت به کامپیوترهای کلاسیک دارند. مزایای ارائه شده توسط محاسبات کوانتومی هنگام کار با دادههای چندبعدی که با تعداد زیادی ویژگی مشخص میشوند، برجسته میشوند. یک فراابتکاری یک الگوریتم اکتشافی (جستجوی جزئی) است که به طور موثر مسائل فشرده داده در دنیای واقعی را بهینه میکند. اخیراً، دانشمندان دریافتهاند که فراابتکاریهای ترکیبی (ترکیبی هوشمندانه از فراابتکاریها، الگوریتمهای برنامهنویسی ریاضی، برنامهنویسی محدودیت یا یادگیری ماشین [ML]) قویتر و در برابر خطا ایمنتر هستند. هیبریداسیون، فراابتکاریهای مختلف را ترکیب میکند، که در آن ترکیب، فراابتکاریهای دیگر را برای دستیابی به عملکرد مطلوب تکمیل میکند. نمونههای معمول از رویکردهای فازی-تکاملی، عصبی-تکاملی، عصبی-فازی تکاملی و خشن-تکاملی استفاده میکنند که تنها چند نمونه از آنها هستند. نظریه آشوب اخیراً کاربردهای گستردهای در فراابتکاریهای هیبریدی کارآمد در حال تکامل یافته است. ظهور الگوی محاسبات کوانتومی نیز انگیزهای برای تکامل فراابتکاریهای کوانتومی هیبریدی کارآمد از نظر زمان ایجاد کرده است، که در آن اصول مکانیک کوانتومی با موفقیت به هم متصل میشوند تا عملکرد بلادرنگ فراابتکاریهای هیبریدی را افزایش دهند. اگرچه تحقق تجاری کامپیوترهای کوانتومی متکی بر حالتهای کوانتومی چندسطحی هنوز دور از دسترس است، دانشمندان اسرار پشت سیستمهای کوانتومی چندسطحی را که با حالتهای کوانتومی چندسطحی و سطح بالاتر مشخص میشوند، کشف کردهاند. این حالتهای چندسطحی، که با کیودیتها مشخص میشوند، راهحلهای قویتر و بدون خطا با پیچیدگیهای زمانی و مکانی بسیار کمتری ارائه میدهند. از این رو، تمرکز فعلی بر روی تکامل جایگزینهای کوانتومی چندسطحی برای راهحلهای دوسطحی موجود است. این کتاب، که شامل ۱۳ فصل تکمیلی، جدا از فصلهای مقدماتی و پایانی است، پیشرفتها و روندهای اخیر در رویکردهای روششناختی، مطالعات نظری و تکنیکهای ریاضی و کاربردی مرتبط با فراابتکاریهای کوانتومی چندسطحی (MQM) و کاربردهای آنها در مسائل مهندسی و علمی را با هم ترکیب میکند. فصلهای تکمیلی، تجسمهای چندسطحی جدید مختلفی از فراابتکاریهای کوانتومی را برای پرداختن به مسائل بهینهسازی برجسته از بهینهسازی شبکه، تجزیه و تحلیل دادهها، زمانبندی وظایف، بهینهسازی طراحی دارو، پیشبینی کیفیت هوا و پردازش سیگنال معرفی میکنند. این فصلها همچنین با مثالهای گویا و مطالعات موردی واقعی، بر اثربخشی رویکردهای پیشنهادی نسبت به جایگزینهای پیشرفته تأکید میکنند. الگوریتمهای فراابتکاری در حل مسائل بهینهسازی پیچیده و با ابعاد بالا که به روشهای ریاضی سنتی وابسته هستند، کاملاً ضروری شدهاند. این الگوریتمها از طبیعت و فیزیک الهام گرفته شدهاند. این الگوریتمها استراتژیهای سازگار و قوی برای پیمایش فضاهای جستجوی غیرخطی و چندوجهی که در رشتههایی مانند مهندسی، هوش مصنوعی (AI) و مراقبتهای بهداشتی با آنها مواجه میشویم، ارائه میدهند. با پیشرفت در محاسبات کوانتومی، دسته جدیدی از فراابتکاریها، که فراابتکاریهای کوانتومی هستند، ظهور کردهاند، در حالی که اصول کوانتومی مانند برهمنهی و درهمتنیدگی را برای افزایش عملکرد محاسباتی ادغام میکنند. اینها بسط سیستمهای کوانتومی دودویی هستند که در آنها نمایشهای کوانتومی چندسطحی، رمزگذاریهای بهبود یافته و کنترل بهتری بر فرآیند جستجو ارائه میدهند. فصل 1 به بررسی همگرایی محاسبات کوانتومی چندسطحی و فراابتکاریها میپردازد و مبانی نظری، اهمیت عملی و پتانسیل تحولآفرین آنها را در حل مسائل بهینهسازی دنیای واقعی برجسته میکند. فصل 2 مفاهیم اصلی و پیشینههای نظری MQMها را معرفی میکند و ماهیت آنها را در اوج محاسبات الهام گرفته از کوانتومی و بهینهسازی پیشرفته ارائه میدهد. این فصل استفاده از ساختارهای جستجوی چندسطحی را با هدف کاوش فضاهای راهحل بسیار بزرگ به شیوهای سلسله مراتبی شرح میدهد، در حالی که بخشهای الهام گرفته از کوانتومی میتوانند رمزگذاری احتمالی، برهمنهی کوانتومی و آنالوگهای درهمتنیدگی را برای سرعت بخشیدن به همگرایی و ایجاد تنوع در راهحلها معرفی کنند. این فصل همچنین به تکامل الگوریتمهای فراابتکاری از الگوریتمهای کلاسیک (الگوریتمهای ژنتیک و ازدحام ذرات، به عنوان چند نمونه) به همتایان کوانتومی آنها میپردازد و تأکید میکند که چگونه الگوریتمهای چندکوانتومی میتوانند مسائل همگرایی زودرس، رکود و بار محاسباتی را در سناریوهای سنگین داده حل کنند.
Quantum computing is fundamentally a synergistic combination of fields from quantum physics, classical information theory, and computer science. Researchers have coupled the underlying principles of quantum computing into various metaheuristic structures to introduce different quantuminspired algorithmic approaches. The prime motivation behind these tasks is to develop algorithms with higher efficiency and usability than existing ones. Quantum Computers principally work on several quantum physical features. These could be an alternative to today’s computers as they possess faster data processing capabilities (even exponentially) than classical computers by resorting to the processing by qubits, which are the fundamental bi-level states in a quantum system. The advantages offered by Quantum Computing become prominent when handling multidimensional data characterized by a huge number of features. A metaheuristic is a heuristic (partial search) algorithm that efficiently optimizes real-world data-intensive problems. Recently, scientists have found that hybrid metaheuristics (a judicious combination of metaheuristics, algorithms from mathematical programming, constraint programming, or machine learning [ML]) are more robust and fail-safe. Hybridization combines different metaheuristics, where the combination supplements others to achieve the desired performance. Typical examples use fuzzy-evolutionary, neuro-evolutionary, neuro-fuzzy evolutionary, and rough-evolutionary approaches, to name a few. Chaos theory has recently found wide applications in evolving efficient hybrid metaheuristics. The advent of the quantum computing paradigm has also given an impetus to evolving time-efficient hybrid quantum metaheuristics, where the principles of quantum mechanics are conjoined successfully to enhance the realtime performance of hybrid metaheuristics. Although the commercial realization of quantum computers relying on multilevel quantum states is still a far cry, scientists have uncovered the mysteries behind multilevel quantum systems characterized by multilevel and higher-level quantum states. These multilevel states, characterized by qudits, offer more robust and fail-safe solutions with far fewer time and space complexities. Hence, the current focus is on evolving multilevel quantum alternatives to the existing bi-level solutions. This book, comprising 13 contributory chapters apart from the Introductory and Concluding chapters, combines recent advances and trends in methodological approaches, theoretical studies, and mathematical and applied techniques related to multilevel quantum metaheuristics (MQMs) and their applications to engineering and scientific problems. The contributory chapters introduce different novel multilevel incarnations of the quantum metaheuristics for addressing glaring optimization problems ranging from network optimization, data analysis, task scheduling, drug design optimization, air quality prediction, and signal processing. The chapters also emphasize the effectiveness of the proposed approaches over the state-of-the-art alternatives with illustrative examples and real-life case studies. Metaheuristic algorithms have become absolutely necessary in solving complex, high-dimensional optimization problems that depend on traditional mathematical methods. It is inspired by nature and physics; these algorithms offer adaptable and strong strategies for navigating nonlinear, multimodal search spaces encountered across disciplines such as engineering, artificial intelligence (AI), and healthcare. With the advancement in quantum computing, a new class of metaheuristics, which is quantum metaheuristics, has emerged, while integrating quantum principles like superposition and entanglement to enhance the computational performance. These are the extension of binary quantum systems where the multilevel quantum representations offer enhanced encodings and better control over the search process. Chapter 1 explores the convergence of multilevel quantum computing and metaheuristics, highlighting their theoretical foundations, practical significance, and transformative potential in solving real-world optimization problems. Chapter 2 introduces the main concepts and theoretical backgrounds of MQMs, presenting their nature at the cusp of quantum-inspired computing and state-of-the-art optimization. It describes the use of multilevel search structures aimed at exploring rigorously large solution spaces in a hierarchical fashion, while quantum-inspired parts can introduce probabilistic encoding, quantum superposition, and analogs of entanglement to speed up convergence and give diversity to solutions. The chapter further discusses the evolution of metaheuristics from classical ones (genetic algorithms and particle swarms, to name a few) to their quantum counterparts, emphasizing how MQMs can solve the issues of premature convergence, stagnation, and computational burden in data-heavy scenarios.
این کتاب را میتوانید از لینک زیر بصورت رایگان دانلود کنید:
Download: Multilevel Quantum Metaheuristics. Applications in Data Exploration

نظرات کاربران