fall-fest-latino · arnoldodany44 · Nov 9, 2023 · Nov 10, 2023 · Nov 10, 2023 · Nov 10, 2023
diff --git a/challenges/PIQUE challenge/quantum_teach.pptx b/challenges/PIQUE challenge/quantum_teach.pptx
diff --git a/challenges/openqaoa challenge/README.md b/challenges/openqaoa challenge/README.md
@@ -0,0 +1,56 @@
+## Planteamiento del problema
+
+Una asociación sin ánimo de lucro de asistencia a personas con dependencia o movilidad reducida, presta todos los días servicio de cuidados y atención por las mañanas de 08:00 a 14:00.
+
+Gracias a una extensa red de voluntarios que se ofrecen a realizar el servicio según las necesidades de los usuarios, el servicio está garantizado.
+
+Cada día, para conocer las necesidades y lo disoponible, los usuarios solicitan el servicio de cuidados y los voluntarios marcan su disponibilidad.
+
+A las 7:00 de la mañana los voluntarios reciben un mensaje con los datos de la persona que deben de atender ese día.
+
+Simplificando el problema, el coste para prestar este servicio para la ONG se puede dividir en gastos fijos (Alquiler, luz, agua, material fungible, etc...) y gastos variables (pago de dietas y desplazamiento del voluntariado).
+
+Quitando la parte del coste fijo y de las dietas que depende del número de usuarios que solicitan el servicio, el único concepto que pueden gestionar es el gasto en desplazamientos.
+
+El objetivo es encontrar la asignación del personal voluntariado más económica.
+
+## Modelización QUBO del problema
+Para modelizar el problema como un problema de tipo QUBO, llamamos:
+* $u_i$ a cada uno de los usuarios.
+* $v_i$ a cada voluntario.
+* $d_{ij}$ la distancia que recorre el voluntario $v_i$ para llegar a casa del usuario $u_j$.
+* $x_{ij}$ es la variable del problema e indica si el usuario $u_i$ ha acudido a atender al usuario $u_j$.
+
+Los valores que pueden tener cada uno de los parámetros y la variable es:
+* $u_i$: 1 si el usuario ha solicitado atención y 0 en caso contrario.
+* $v_i$: 1 si el voluntario ha indicado su disponibilidad y 0 en caso contrario.
+* $x_{ij}$: 1 si el voluntario $v_i$ ha ido a atender al usuario $u_j$ y 0 en caso contrario.
+
+De esta forma la función a optimizar es la distancia recorrida por todos los voluntarios, que en un día se calcula por
+
+$\sum_{i=1}\ \sum_{j=1}\ d_{ij}\ u_i\ v_j\ x_{ij}$
+
+Con las siguiente restriciones:
+* Un voluntario solo puede atender a un usuario
+  $\sum_{j=1}\ x_{ij}\ =\ v_i$
+* Un usuario solo puede recibir a un voluntario
+  $\sum_{i=1}\ x_{ij}\ =\ u_j$
+
+De esta manera la función QUBO a minimizar es
+$f(x)= \sum_{i=1}\ \sum_{j=1}\ d_{ij}\ u_i\ v_j\ x_{ij} + \lambda (\sum_{j=1}\ x_{ij}\ -\ v_i)^2 + \lambda (\sum_{i=1}\ x_{ij}\ -\ u_j)^2$
+
+Donde $\lambda$ es el coeficiente de Lagrange, que para este evento y para simplificar los cálculos, como las restricciones tienen la misma importancia que el objetivo a minimizar vamos a considerar con un valor de $\lambda = 1$.
+
+Desarrollamos la expresión y apartando los términos constantes obtenemos
+$f(x)= \sum_{i=1}\ \sum_{j=1}\ d_{ij}\ u_i\ v_j\ x_{ij} + \sum_{j=1}\ (1-2v_i) x_{ij} + \sum_{i\neq j}\ x_{ij} x_{ik} + \sum_{j=1}\ (1-2u_i) x_{ij} + \sum_{i\neq j}\ x_{ij} x_{ik}=\sum_{i=1}\ \sum_{j=1}\ (d_{ij}\ u_i\ v_j-2v_i-2u_i) x_{ij} + \sum_{i\neq j}\ 2x_{ij} x_{ik}$
+
+## Modelización ISING del problema
+Una vez obtenida la función a minimizar como una función QUBO, pasarlo a ISING es hacer el cambio de variable $x_{ij}=\frac{1-z_{ij}}{2}$. Por lo tanto
+$f(x)= \sum_{i=1}\ \sum_{j=1}\ (d_{ij}\ u_i\ v_j-2v_i-2u_i) \frac{1-z_{ij}}{2} + \sum_{i\neq j}\ 2 \frac{1-z_{ij}}{2} \frac{1-z_{ik}}{2}=-\sum_{i=1}\ \sum_{j=1}\  \frac{d_{ij}\ u_i\ v_j-2v_i-2u_i-2}{2}z_{ij} + \sum_{i\neq j}\  \frac{z_{ij}z_{ik}}{2}$
+
+## Construcción del circuito
+Una vez tenemos la función a minimizar bajo el concepto de función ISING, pasarlo a circuito usando el algoritmo QAOA consiste en construir dos circuitos. El primer circuito asociado a los coeficientes de los términos de la diagonal de la función, y el segundo creado con el resto de los coeficientes.
+
+* Primer circuito llamado U_B en el ejercicio. Se forma usando la puerta rotacional $R_Z$.
+* Segundo circuito llamado U_C en el ejercicio. Se forma usando la puerta rotacional $R_Z$ entre dos puertas CCNOT.
+
diff --git a/challenges/openqaoa challenge/openqaoa.ipynb b/challenges/openqaoa challenge/openqaoa.ipynb
@@ -0,0 +1,308 @@
+{
+  "nbformat": 4,
+  "nbformat_minor": 0,
+  "metadata": {
+    "colab": {
+      "provenance": []
+    },
+    "kernelspec": {
+      "name": "python3",
+      "display_name": "Python 3"
+    },
+    "language_info": {
+      "name": "python"
+    }
+  },
+  "cells": [
+    {
+      "cell_type": "code",
+      "execution_count": null,
+      "metadata": {
+        "id": "7WUZL7Rg9Upp"
+      },
+      "outputs": [],
+      "source": [
+        "!pip install pennylane"
+      ]
+    },
+    {
+      "cell_type": "code",
+      "source": [
+        "import pennylane as qml\n",
+        "from pennylane import numpy as np\n",
+        "import matplotlib.pyplot as plt"
+      ],
+      "metadata": {
+        "id": "pij3jS-Z98sP"
+      },
+      "execution_count": null,
+      "outputs": []
+    },
+    {
+      "cell_type": "code",
+      "source": [
+        "#Definimos el tamaño del problema\n",
+        "numeroUsuarios = 4\n",
+        "numeroVoluntarios = 5\n",
+        "rango = max(numeroUsuarios, numeroVoluntarios)\n",
+        "nqubits = numeroVoluntarios * numeroUsuarios\n",
+        "distancia = [[0 for i in range(rango)] for j in range(rango)]\n",
+        "peticionUsuarios = np.random.randint(0, 2, numeroUsuarios)\n",
+        "peticionVoluntarios = np.random.randint(0, 2, numeroVoluntarios)\n",
+        "for i in range(numeroVoluntarios):\n",
+        "  for j in range(numeroUsuarios):\n",
+        "    distancia[i][j] = np.random.randint(5, 500)"
+      ],
+      "metadata": {
+        "id": "L5m8N7Ls9kXz"
+      },
+      "execution_count": 88,
+      "outputs": []
+    },
+    {
+      "cell_type": "code",
+      "source": [
+        "def toLineal(i, j):\n",
+        "  return i*numeroUsuarios + j"
+      ],
+      "metadata": {
+        "id": "v4Mfho3VGMi3"
+      },
+      "execution_count": 112,
+      "outputs": []
+    },
+    {
+      "cell_type": "code",
+      "source": [
+        "def fromLineal(n):\n",
+        "  return n//numeroUsuarios, n%numeroUsuarios"
+      ],
+      "metadata": {
+        "id": "mO1d9G5eUb7V"
+      },
+      "execution_count": 113,
+      "outputs": []
+    },
+    {
+      "cell_type": "code",
+      "source": [
+        "print(peticionUsuarios)\n",
+        "print(peticionVoluntarios)\n",
+        "print(distancia)"
+      ],
+      "metadata": {
+        "colab": {
+          "base_uri": "https://localhost:8080/"
+        },
+        "id": "-IOQnQRBGVlA",
+        "outputId": "af3cbab0-106b-46c8-d60e-b40af00711d0"
+      },
+      "execution_count": 89,
+      "outputs": [
+        {
+          "output_type": "stream",
+          "name": "stdout",
+          "text": [
+            "[1 1 1 0]\n",
+            "[1 1 0 0 1]\n",
+            "[[238, 232, 346, 73, 0], [257, 256, 236, 292, 0], [483, 306, 269, 461, 0], [217, 366, 307, 390, 0], [291, 454, 313, 253, 0]]\n"
+          ]
+        }
+      ]
+    },
+    {
+      "cell_type": "code",
+      "source": [
+        "def matrizObjetivo():\n",
+        "  objetivo = [[0 for i in range(nqubits)] for j in range(nqubits)]\n",
+        "  for i in range(nqubits):\n",
+        "    for j in range(nqubits):\n",
+        "      v1,u1 = fromLineal(i)\n",
+        "      v2,u2 = fromLineal(j)\n",
+        "      if i == j:\n",
+        "        objetivo[i][j] = (distancia[v1][u1] * peticionVoluntarios[v1] * peticionUsuarios[u1] - (2 * peticionVoluntarios[v1]) - (2 *  peticionUsuarios[u1]) - 2)/2\n",
+        "      else:\n",
+        "        objetivo[i][j] = 0.5 * peticionVoluntarios[v1] * peticionUsuarios[u1]* peticionVoluntarios[v2] * peticionUsuarios[u2]\n",
+        "  return objetivo"
+      ],
+      "metadata": {
+        "id": "_LRX8wgc-0GY"
+      },
+      "execution_count": 122,
+      "outputs": []
+    },
+    {
+      "cell_type": "code",
+      "source": [
+        "dev = qml.device(\"default.qubit\", wires = range(nqubits))"
+      ],
+      "metadata": {
+        "id": "eKUui196HTcB"
+      },
+      "execution_count": 15,
+      "outputs": []
+    },
+    {
+      "cell_type": "code",
+      "source": [
+        "def U_C(gamma, h, n):\n",
+        "  for i in range(n):\n",
+        "    for j in range(n):\n",
+        "        if (j != i):\n",
+        "          qml.CNOT(wires = [i, j])\n",
+        "          qml.RZ(-2 * (-h[i][j] * h[i][j]) * gamma, wires = j)\n",
+        "          qml.CNOT(wires = [i, j])"
+      ],
+      "metadata": {
+        "id": "fZDpTURcHfBN"
+      },
+      "execution_count": 10,
+      "outputs": []
+    },
+    {
+      "cell_type": "code",
+      "source": [
+        "def U_B(beta, h, n):\n",
+        "  for k in range(n):\n",
+        "    qml.RX(-2 * beta * h[k][k], wires = k)"
+      ],
+      "metadata": {
+        "id": "DMphZolSHhkV"
+      },
+      "execution_count": 11,
+      "outputs": []
+    },
+    {
+      "cell_type": "code",
+      "source": [
+        "@qml.qnode(dev)\n",
+        "def circuito(gamma, beta, h, n, capas):\n",
+        "  for k in range(n):\n",
+        "    qml.Hadamard(wires = k)\n",
+        "  for k in range(capas):\n",
+        "    U_C(gamma, h, n)\n",
+        "    U_B(beta, h, n)\n",
+        "  return qml.probs(wires = range(n))"
+      ],
+      "metadata": {
+        "id": "wWAjEqSjHkk1"
+      },
+      "execution_count": 17,
+      "outputs": []
+    },
+    {
+      "cell_type": "code",
+      "source": [
+        "gamma = 0.15\n",
+        "beta = 0.15\n",
+        "capas = 3"
+      ],
+      "metadata": {
+        "id": "RA-k70t9HpnH"
+      },
+      "execution_count": 13,
+      "outputs": []
+    },
+    {
+      "cell_type": "code",
+      "source": [
+        "resultados = circuito(gamma, beta, matrizObjetivo(), nqubits, capas)"
+      ],
+      "metadata": {
+        "id": "TI-Dk_i2IBe5"
+      },
+      "execution_count": 123,
+      "outputs": []
+    },
+    {
+      "cell_type": "code",
+      "source": [
+        "def getMaxKey(valores):\n",
+        "  maxValue = max(valores)\n",
+        "  for i in range(2**nqubits):\n",
+        "    if valores[i] == maxValue:\n",
+        "      return i"
+      ],
+      "metadata": {
+        "id": "nHt_GL5zVKWC"
+      },
+      "execution_count": 27,
+      "outputs": []
+    },
+    {
+      "cell_type": "code",
+      "source": [
+        "ganador=getMaxKey(resultados)\n",
+        "print(ganador)"
+      ],
+      "metadata": {
+        "colab": {
+          "base_uri": "https://localhost:8080/"
+        },
+        "id": "LGdxZwuCNdz5",
+        "outputId": "4d23ed90-a834-4581-b961-1dba27dd077f"
+      },
+      "execution_count": 124,
+      "outputs": [
+        {
+          "output_type": "stream",
+          "name": "stdout",
+          "text": [
+            "434178\n"
+          ]
+        }
+      ]
+    },
+    {
+      "cell_type": "code",
+      "source": [
+        "def decimalToBinary(n):\n",
+        "    return bin(n).replace(\"0b\", \"\")"
+      ],
+      "metadata": {
+        "id": "4ocKMJikOjeu"
+      },
+      "execution_count": 35,
+      "outputs": []
+    },
+    {
+      "cell_type": "code",
+      "source": [
+        "estadoGanador = decimalToBinary(ganador)"
+      ],
+      "metadata": {
+        "id": "B46_tp-vOKAx"
+      },
+      "execution_count": 125,
+      "outputs": []
+    },
+    {
+      "cell_type": "code",
+      "source": [
+        "for i in range(len(str(estadoGanador))):\n",
+        "  if (estadoGanador[i] == '1'):\n",
+        "    u, v = fromLineal(i)\n",
+        "    print(f\"El voluntario %1d debe acudir a visitar al usuario %1d\" % (u+1, v+1))"
+      ],
+      "metadata": {
+        "colab": {
+          "base_uri": "https://localhost:8080/"
+        },
+        "id": "0k2XlICwPTXB",
+        "outputId": "f2045b28-4c96-4b62-ed60-e1863e87f63c"
+      },
+      "execution_count": 127,
+      "outputs": [
+        {
+          "output_type": "stream",
+          "name": "stdout",
+          "text": [
+            "El voluntario 1 debe acudir a visitar al usuario 1\n",
+            "El voluntario 2 debe acudir a visitar al usuario 2\n",
+            "El voluntario 5 debe acudir a visitar al usuario 3\n"
+          ]
+        }
+      ]
+    }
+  ]
+}