A Quantum Genetic Algorithm Framework For The MaxCut Problem

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2025
Autor(a) principal: ARAÚJO, Paulo André Viana de
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: eng
Instituição de defesa: Universidade Federal de Pernambuco
UFPE
Brasil
Programa de Pos Graduacao em Ciencia da Computacao
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: https://repositorio.ufpe.br/handle/123456789/64777
Resumo: The MaxCut problem is a fundamental problem in Combinatorial Optimization, with sig- nificant implications across diverse domains such as logistics, network design, and statistical physics. The algorithm represents innovative approaches that balance theoretical rigor with practical scalability. The proposed method introduces a Quantum Genetic Algorithm (QGA) using a Grover-based evolutionary framework and divide-and-conquer principles. By partition- ing graphs into manageable subgraphs, optimizing each independently, and applying graph contraction to merge the solutions, the method exploits the inherent binary symmetry of Max- Cut to ensure a more efficient and robust approximation performance. Theoretical analysis establishes a foundation for a better performance of the algorithm, while empirical evalua- tions provide quantitative evidence of its effectiveness. On complete graphs, the proposed method consistently achieves the true optimal MaxCut values, outperforming the Semidefi- nite Programming (SDP) approach, which provides up to 99.7% of the optimal solution for larger graphs. On Erdős-Rényi random graphs, the QGA demonstrates competitive perfor- mance, achieving median solutions within 92-96% of the SDP results. These results showcase the potential of the QGA framework to deliver competitive solutions, even under heuristic constraints, while demonstrating its promise for scalability as quantum hardware evolves.
id UFPE_3a8fc3c09100e2b4804576ab708cda96
oai_identifier_str oai:repositorio.ufpe.br:123456789/64777
network_acronym_str UFPE
network_name_str Repositório Institucional da UFPE
repository_id_str
spelling A Quantum Genetic Algorithm Framework For The MaxCut ProblemComputação quânticaOtimização combinatóriaGraph TheoryThe MaxCut problem is a fundamental problem in Combinatorial Optimization, with sig- nificant implications across diverse domains such as logistics, network design, and statistical physics. The algorithm represents innovative approaches that balance theoretical rigor with practical scalability. The proposed method introduces a Quantum Genetic Algorithm (QGA) using a Grover-based evolutionary framework and divide-and-conquer principles. By partition- ing graphs into manageable subgraphs, optimizing each independently, and applying graph contraction to merge the solutions, the method exploits the inherent binary symmetry of Max- Cut to ensure a more efficient and robust approximation performance. Theoretical analysis establishes a foundation for a better performance of the algorithm, while empirical evalua- tions provide quantitative evidence of its effectiveness. On complete graphs, the proposed method consistently achieves the true optimal MaxCut values, outperforming the Semidefi- nite Programming (SDP) approach, which provides up to 99.7% of the optimal solution for larger graphs. On Erdős-Rényi random graphs, the QGA demonstrates competitive perfor- mance, achieving median solutions within 92-96% of the SDP results. These results showcase the potential of the QGA framework to deliver competitive solutions, even under heuristic constraints, while demonstrating its promise for scalability as quantum hardware evolves.O problema do MaxCut é um problema fundamental da Otimização Combinatória, com implicações significativas em diversas áreas, como logística, projeto de redes e física estatística. O algoritmo proposto representa uma abordagem inovadora que equilibra rigor teórico com escalabilidade prática. O método introduz um Algoritmo Genético Quântico (QGA) baseado em um arcabouço evolucionário com Grover e princípios de divisão e conquista. Ao particionar grafos em subgrafos manejáveis, otimizá-los de forma independente e aplicar contração de grafos para combinar as soluções, o método explora a simetria binária inerente ao MaxCut para garantir um desempenho mais eficiente e robusto em termos de aproximação. A análise teórica estabelece a base para um desempenho superior do algoritmo, enquanto as avaliações empíricas fornecem evidências quantitativas de sua eficácia. Em grafos completos, o método proposto alcança consistentemente os valores ótimos verdadeiros do MaxCut, superando a abordagem por Programação Semidefinida (SDP), que fornece até 99,7% da solução ótima em grafos maiores. Em grafos aleatórios de Erdős–Rényi, o QGA apresenta desempenho competi- tivo, atingindo soluções medianas dentro de 92–96% dos resultados da SDP. Esses resultados destacam o potencial do arcabouço QGA para fornecer soluções competitivas, mesmo sob restrições heurísticas, ao mesmo tempo em que demonstram sua promessa de escalabilidade conforme o hardware quântico evolui.Universidade Federal de PernambucoUFPEBrasilPrograma de Pos Graduacao em Ciencia da ComputacaoPAULA NETO, Fernando Maciano dehttp://lattes.cnpq.br/6531747120125479http://lattes.cnpq.br/9643216021359436ARAÚJO, Paulo André Viana de2025-08-01T12:20:00Z2025-08-01T12:20:00Z2025-01-30info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfARAÚJO, Paulo André Viana de. A Quantum Genetic Algorithm Framework For The MaxCut Problem. 2025. Dissertação (Mestrado em Ciências da Computação) – Universidade Federal de Pernambuco, Recife, 2025.https://repositorio.ufpe.br/handle/123456789/64777enghttps://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UFPEinstname:Universidade Federal de Pernambuco (UFPE)instacron:UFPE2025-08-03T17:51:25Zoai:repositorio.ufpe.br:123456789/64777Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufpe.br/oai/requestattena@ufpe.bropendoar:22212025-08-03T17:51:25Repositório Institucional da UFPE - Universidade Federal de Pernambuco (UFPE)false
dc.title.none.fl_str_mv A Quantum Genetic Algorithm Framework For The MaxCut Problem
title A Quantum Genetic Algorithm Framework For The MaxCut Problem
spellingShingle A Quantum Genetic Algorithm Framework For The MaxCut Problem
ARAÚJO, Paulo André Viana de
Computação quântica
Otimização combinatória
Graph Theory
title_short A Quantum Genetic Algorithm Framework For The MaxCut Problem
title_full A Quantum Genetic Algorithm Framework For The MaxCut Problem
title_fullStr A Quantum Genetic Algorithm Framework For The MaxCut Problem
title_full_unstemmed A Quantum Genetic Algorithm Framework For The MaxCut Problem
title_sort A Quantum Genetic Algorithm Framework For The MaxCut Problem
author ARAÚJO, Paulo André Viana de
author_facet ARAÚJO, Paulo André Viana de
author_role author
dc.contributor.none.fl_str_mv PAULA NETO, Fernando Maciano de
http://lattes.cnpq.br/6531747120125479
http://lattes.cnpq.br/9643216021359436
dc.contributor.author.fl_str_mv ARAÚJO, Paulo André Viana de
dc.subject.por.fl_str_mv Computação quântica
Otimização combinatória
Graph Theory
topic Computação quântica
Otimização combinatória
Graph Theory
description The MaxCut problem is a fundamental problem in Combinatorial Optimization, with sig- nificant implications across diverse domains such as logistics, network design, and statistical physics. The algorithm represents innovative approaches that balance theoretical rigor with practical scalability. The proposed method introduces a Quantum Genetic Algorithm (QGA) using a Grover-based evolutionary framework and divide-and-conquer principles. By partition- ing graphs into manageable subgraphs, optimizing each independently, and applying graph contraction to merge the solutions, the method exploits the inherent binary symmetry of Max- Cut to ensure a more efficient and robust approximation performance. Theoretical analysis establishes a foundation for a better performance of the algorithm, while empirical evalua- tions provide quantitative evidence of its effectiveness. On complete graphs, the proposed method consistently achieves the true optimal MaxCut values, outperforming the Semidefi- nite Programming (SDP) approach, which provides up to 99.7% of the optimal solution for larger graphs. On Erdős-Rényi random graphs, the QGA demonstrates competitive perfor- mance, achieving median solutions within 92-96% of the SDP results. These results showcase the potential of the QGA framework to deliver competitive solutions, even under heuristic constraints, while demonstrating its promise for scalability as quantum hardware evolves.
publishDate 2025
dc.date.none.fl_str_mv 2025-08-01T12:20:00Z
2025-08-01T12:20:00Z
2025-01-30
dc.type.status.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.type.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/masterThesis
format masterThesis
status_str publishedVersion
dc.identifier.uri.fl_str_mv ARAÚJO, Paulo André Viana de. A Quantum Genetic Algorithm Framework For The MaxCut Problem. 2025. Dissertação (Mestrado em Ciências da Computação) – Universidade Federal de Pernambuco, Recife, 2025.
https://repositorio.ufpe.br/handle/123456789/64777
identifier_str_mv ARAÚJO, Paulo André Viana de. A Quantum Genetic Algorithm Framework For The MaxCut Problem. 2025. Dissertação (Mestrado em Ciências da Computação) – Universidade Federal de Pernambuco, Recife, 2025.
url https://repositorio.ufpe.br/handle/123456789/64777
dc.language.iso.fl_str_mv eng
language eng
dc.rights.driver.fl_str_mv https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
info:eu-repo/semantics/openAccess
rights_invalid_str_mv https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
eu_rights_str_mv openAccess
dc.format.none.fl_str_mv application/pdf
dc.publisher.none.fl_str_mv Universidade Federal de Pernambuco
UFPE
Brasil
Programa de Pos Graduacao em Ciencia da Computacao
publisher.none.fl_str_mv Universidade Federal de Pernambuco
UFPE
Brasil
Programa de Pos Graduacao em Ciencia da Computacao
dc.source.none.fl_str_mv reponame:Repositório Institucional da UFPE
instname:Universidade Federal de Pernambuco (UFPE)
instacron:UFPE
instname_str Universidade Federal de Pernambuco (UFPE)
instacron_str UFPE
institution UFPE
reponame_str Repositório Institucional da UFPE
collection Repositório Institucional da UFPE
repository.name.fl_str_mv Repositório Institucional da UFPE - Universidade Federal de Pernambuco (UFPE)
repository.mail.fl_str_mv attena@ufpe.br
_version_ 1856042049645576192