Collective fast delivery by energy-efficient agents

We consider k mobile agents initially located at distinct nodes of an undirected graph (on n nodes, with edge lengths) that have to deliver a single item from a given source node s to a given target node t. The agents can move along the edges of the graph, starting at time 0 with respect to the following: Each agent i has a weight w_i that defines the rate of energy consumption while travelling a distance in the graph, and a velocity v_i with which it can move. We are interested in schedules (operating the k agents) that result in a small delivery time T (time when the package arrives at t), and small total energy consumption E. Concretely, we ask for a schedule that: either (i) Minimizes T, (ii) Minimizes lexicographically (T,E) (prioritizing fast delivery), or (iii) Minimizes epsilon*T + (1-epsilon)*E, for a given epsilon, 0<epsilon<1. We show that (i) is solvable in polynomial time, and show that (ii) is polynomial-time solvable for uniform velocities and solvable in time O(n + k log k) for arbitrary velocities on paths, but in general is NP-hard even on planar graphs. As a corollary of our hardness result, (iii) is NP-hard, too. We show that there is a 3-approximation algorithm for (iii) using a single agent.Comment: In an extended abstract of this paper [MFCS 2018], we erroneously claimed the single agent approach for variant (iii) to have approximation ratio

QAOA-based Fair Sampling on NISQ Devices

We study the status of fair sampling on Noisy Intermediate Scale Quantum (NISQ) devices, in particular the IBM Q family of backends. Using the recently introduced Grover Mixer-QAOA algorithm for discrete optimization, we generate fair sampling circuits to solve six problems of varying difficulty, each with several optimal solutions, which we then run on ten different backends available on the IBM Q system. For a given circuit evaluated on a specific set of qubits, we evaluate: how frequently the qubits return an optimal solution to the problem, the fairness with which the qubits sample from all optimal solutions, and the reported hardware error rate of the qubits. To quantify fairness, we define a novel metric based on Pearson's $\chi^2$ test. We find that fairness is relatively high for circuits with small and large error rates, but drops for circuits with medium error rates. This indicates that structured errors dominate in this regime, while unstructured errors, which are random and thus inherently fair, dominate in noisier qubits and longer circuits. Our results provide a simple, intuitive means of quantifying fairness in quantum circuits, and show that reducing structured errors is necessary to improve fair sampling on NISQ hardware

Threshold-Based Quantum Optimization

We propose and study Th-QAOA (pronounced Threshold QAOA), a variation of the Quantum Alternating Operator Ansatz (QAOA) that replaces the standard phase separator operator, which encodes the objective function, with a threshold function that returns a value $1$ for solutions with an objective value above the threshold and a $0$ otherwise. We vary the threshold value to arrive at a quantum optimization algorithm. We focus on a combination with the Grover Mixer operator; the resulting GM-Th-QAOA can be viewed as a generalization of Grover's quantum search algorithm and its minimum/maximum finding cousin to approximate optimization. Our main findings include: (i) we show semi-formally that the optimum parameter values of GM-Th-QAOA (angles and threshold value) can be found with $O(\log(p) \times \log M)$ iterations of the classical outer loop, where $p$ is the number of QAOA rounds and $M$ is an upper bound on the solution value (often the number of vertices or edges in an input graph), thus eliminating the notorious outer-loop parameter finding issue of other QAOA algorithms; (ii) GM-Th-QAOA can be simulated classically with little effort up to 100 qubits through a set of tricks that cut down memory requirements; (iii) somewhat surprisingly, GM-Th-QAOA outperforms its non-thresholded counterparts in terms of approximation ratios achieved. This third result holds across a range of optimization problems (MaxCut, Max k-VertexCover, Max k-DensestSubgraph, MaxBisection) and various experimental design parameters, such as different input edge densities and constraint sizes

Mit Bio zu einer modernen nachhaltigen Landwirtschaft. Ein Diskussionsbeitrag zum Öko- oder Biolandbau 3.0

Die internationale Vereinigung biologischer Landbauorganisationen (IFOAM Organic International) hat auf der Fachmesse Biofach 2014 die Idee einer biologischen Landwirtschaft 3.0 lanciert. Anlass war ein weit verbreitetes Gefühl, dass sich der Ökolandbau trotz großer Erfolge weiterhin in einer Nische befindet, gleichzeitig aber sich besser auf die zukünftigen Herausforderungen ausrichten muss. Die auf die Lancierung folgende Diskussion hat einerseits zu einer Reflektion der bisherigen Entwicklung des Ökolandbaus und anderseits zu einer dynamischen Auseinandersetzung mit möglichen Zukunftsperspektiven geführt. Die Herausforderungen, denen sich die ökologische Land- und Lebensmittelwirtschaft stellen muss, liegen vor allem - in einem nur schwachen Wachstum der landwirtschaftlichen Erzeugung, hauptsächlich in Europa, wo die absatzstärksten Märkte liegen, - beim noch ungenutzten oder fehlenden Potential des Biolandbaus für die nachhaltige Ernährungssicherheit, - in der zunehmenden Konkurrenz durch andere Nachhaltigkeitsinitiativen, - in der Transparenz und Sicherheit der Wertschöpfungsketten, - sowie in der zu verbessernden differenzierteren Kommunikation mit Verbrauchern. Festzustellen ist, dass bisher der Biolandbau neben der allgemeinen Entwicklung der Landwirtschaft herläuft und kein wesentliches Lösungsinstrument für die anstehenden Herausforderungen in der Breite ist. Ein Wachstum aus der Nische heraus erfordert mehr Innovationen, Allianzen mit anderen, ähnlich ausgerichteten sozialen und wirtschaftlichen Initiativen in der Landwirtschaft und im Lebensmittelbereich sowie andere Kommunikationsstrategien. Wir sind der Auffassung, dass sich die Menschen in der Biobewegung bewusst und aktiv diesen Herausforderungen stellen sollten. Denn für die Akzeptanz der weiteren Weichenstellung im Ökolandbau ist es wesentlich, dass diese aus der Bewegung heraus entwickelt wird. Das Autorenteam hat in der Diskussion aus ursprünglich vier Zukunftsszenarien die Idee Bio 3.0 als dynamisches Entwicklungskonzept in Richtung beste Praxis als einen gangbaren Weg herausgearbeitet. Dieses Konzept definiert die Eintrittsschwelle respektive die Mindestanforderungen für den Ökolandbau auf der Basis von besonderen gemeinwirtschaftlichen Leistungen (öffentliche, ökologische und soziale Güter) sowie einem hohen Niveau im Umweltschutz und im Tierwohl – basierend auf natur- und sozialwissenschaftlichen Fakten. Diese Eintrittsschwellen werden durch die staatlichen Ökoverordnungen beschrieben. Zusätzliche Leistungen in der Ökologie, im Tierwohl, in der Produktqualität oder bei den sozialen, kulturellen und ethischen Werten werden durch private Label, besondere Standards oder Benchmarking-Systeme gewährleistet. Für die Zukunft des Ökolandbaus – ob Mindestanforderungen oder private Label – ist es wesentlich, dass diese sich stets an der besten Praxis orientieren, ganzheitlich nachhaltig positioniert sind und durch eine umfassende Innovationskultur weiterentwickelt werden. Dazu sind deutlich mehr Forschungsmittel notwendig, und zwar sowohl für angewandte Innovationen zusammen mit Landwirten, der Lebensmittelbranche und den Verbrauchern als auch für Entwicklungen aus der Grundlagenforschung. Da die moderne Forschung in der Landwirtschaft eine Fülle von neuem Wissen und neuen Techniken generiert, wird unter anderem eine „Innovationskommission“ vorgeschlagen, in der neue Entwicklungen und Techniken auf die Verträglichkeit mit den ökologischen und sozialen Prinzipien geprüft und Empfehlungen in der Umsetzung ausgesprochen werden. Eine solche Innovationskommission sollte auf internationaler oder europäischer Ebene (z.B. IFOAM, IFOAM-EU) angesiedelt sein, könnte aber bereits während einer Pionierphase im deutschsprachigen Raum zu arbeiten beginnen. Schon heute ist abzusehen, dass diese Innovationskommission eine große Anzahl von Fragen zu bearbeiten haben wird. Bio 3.0 wird sich durch eine auf Qualität und Nachhaltigkeit basierende differenzierte Kommunikation auszeichnen. Die Transparenz und Sicherheit bezüglich versprochener Leistungen und Qualitäten wird bedeutender und ist zu verbessern, um den Absatz der Produkte zu steigern. Dazu müssen die Qualitätssicherung im Ökolandbau modernisiert und neue Wege in der Kommunikation entwickelt werden. Nicht unerheblich wird es sein, mit welchen Betrieben, in welchen landschaftlichen Strukturen und welchen Wertschöpfungsketten Bio 3.0 produzieren möchte. Diese Frage ist nicht nur im Hinblick auf die Kommunikation entscheidend, es wird auch die Umstellung von nachhaltigen konventionellen Betrieben auf den Ökolandbau erleichtert. Im Hinblick auf die Nachhaltigkeit, bleibt Bio 3.0 weiterhin in der Pionierrolle, reiht sich aber mit seinem ganzheitlichen Ansatz in andere Nachhaltigkeitsinitiativen ein. Ziel des Ökolandbaus bleibt es, eine starke Nachhaltigkeitsstrategie für die Fläche zu werden und durch Zusatzleistungen gleichzeitig unterschiedliche Märkte zu bedienen. Dadurch soll auch die Vielfalt an Betriebsstrukturen und -größen in der Erzeugung, in der Verarbeitung und in der Vermarktung sichergestellt werden. In der Erzeugung befinden wir uns zunehmend in einem Wettbewerb unterschiedlicher Agrarsysteme. Mit der Diskussion rund um Bio 3.0 wollen wir Situation und Gründe aufzeigen, warum sich der Wettbewerb der Agrarsysteme bisher nicht eindeutig für den Ökolandbau entschieden hat. Wir wollen aber gleichzeitig darauf aufmerksam machen, dass dieser Wettbewerb erst am Anfang steht und noch nicht entschieden ist. Wir sind der Auffassung, dass sich die Menschen in der Biobewegung bewusst und aktiv diesem Wettbewerb stellen sollten und dabei auch die in diesem Diskussionspapier angesprochenen eigenen Schwachstellen gemeinsam mit der Wissenschaft noch intensiver angehen müssen. Das fertig gestellte Diskussionspapier soll nun in unseren Verbänden breiter diskutiert werden. Ob daraus spätere verbandliche Positionen entwickelt werden, ist dabei offen

Wege zu mehr Bio in Europa und weltweit!

Die IFOAM hat an der Biofach 2014 die Idee einer biologischen Landwirtschaft 3.0 lanciert. Dies entstand aufgrund eines weit verbreiteten Gefühls, dass sich der Ökolandbau trotz großen Erfolgen mit den zukünftigen Herausforderungen auseinandersetzen muss. Die Diskussion hat einerseits die Beschäftigung mit der bisherigen Entwicklung des Ökolandbaus geschärft, und andererseits eine dynamische Analyse der zukünftigen Positionierung ausgelöst. Personen der traditionellen Verbände der biologischen resp. ökologischen Landwirtschaft von Deutschland, Österreich und der Schweiz, Bioland, Naturland, Bio Austria und Bio Suisse sind zusammen mit dem FiBL der Meinung, dass vier wichtige Herausforderungen gemeistert werden müssen: A) Das nur noch zögerliche Wachstum der landwirtschaftlichen Urproduktion angehen und Neueinsteiger durch mehr Innovation gewinnen. B) Die Ökobetriebe und die vor- und nachgelagerte Branche im Sinne einer dynamischen ‚Beste Praxis‘ nachhaltiger machen. C) Die Stärken des Ökolandbaus für eine nachhaltige und ressourcenschonende Ernährungssicherheit in der Welt besser nutzen. D) Mit den Verbrauchern, der Zivilgesellschaft und mit Initiativen und Aktivitäten mit ähnlicher Stoßrichtung transparent zusammenzuarbeiten. In der Diskussion wurden vier Zukunftsszenarien herausgeschält: Das Szenario 1 ist Fortsetzung der kontinuierlichen Weiterentwicklung der biologischen Landwirtschaft. Dieses haben wir auch Bio 2.1 genannt. Das Szenario 2 fokussiert stark auf eine anspruchsvolle Käuferschaft, welche die besondere Qualität und die Werte, welche hinter dem Ökolandbau stehen, wünschen. Dieses haben wir auch Qualitäts- und Werte-Bio genannt. Dies würde zusätzliche Anforderungen in den Richtlinien und in der Zertifizierung bringen. Mit dem Szenario 3 möchten wir die ökologische Landwirtschaft weltweit auf einen raschen Wachstumspfad bringen, damit es für die globalen Herausforderungen eine echte Alternative wird und nicht in der Nische verharrt. Wir haben dieses Szenario auch Produktive Ökologisierung genannt. Dabei steht eine umfassende Innovationsstrategie im Vordergrund, welche auch den wissenschaftlich-technischen Fortschritt besser, aber kritisch nutzt. Das Szenario 4 ist eine Kombination von 2 und 3. Die Produktive Ökologisierung ist der Einstieg in den Ökolandbau und entspricht mit Vorteil den gesetzlichen Verordnungen, während darauf die Beste Praxis als Qualitäts- und Werte-Bio aufbaut. Szenario 4 wurde von den Autoren klar bevorzugt. Die jetzt anstehende Diskussion über die Zukunft des Ökolandbaus hat sich an klaren Grundsätzen zu orientieren. Diese wurden von den Autoren wie folgt definiert: a) Der ÖL basiert auf den vier Prinzipien der IFOAM. b) Der ÖL soll relevanter für die Herausforderungen der Menschheit werden. c) Der ÖL soll die Nachhaltigkeit umfassend berücksichtigen. d) Der ÖL soll immer ein ganzheitlicher Systemansatz sein. e) Der ÖL soll die Stoffkreisläufe geschlossen halten. f) Der ÖL soll naturstoffbasiert sein. g) Der ÖL soll eine ganzheitliche und umfassende Innovationskultur sein. h) Der ÖL soll im Einklang mit den Megatrends der Gesellschaft und der Verbrauchern sein. i) Der ÖL soll das Wohl der Nutztiere hoch gewichten, da es für die Nachhaltigkeit eine wichtige Rolle spielt. k) Der ÖL 3.0 soll nach unten kompatibel mit bestehenden Richtlinien sein

Quantum Algorithm Implementations for Beginners

As quantum computers become available to the general public, the need has arisen to train a cohort of quantum programmers, many of whom have been developing classical computer programs for most of their careers. While currently available quantum computers have less than 100 qubits, quantum computing hardware is widely expected to grow in terms of qubit count, quality, and connectivity. This review aims to explain the principles of quantum programming, which are quite different from classical programming, with straightforward algebra that makes understanding of the underlying fascinating quantum mechanical principles optional. We give an introduction to quantum computing algorithms and their implementation on real quantum hardware. We survey 20 different quantum algorithms, attempting to describe each in a succinct and self-contained fashion. We show how these algorithms can be implemented on IBM's quantum computer, and in each case, we discuss the results of the implementation with respect to differences between the simulator and the actual hardware runs. This article introduces computer scientists, physicists, and engineers to quantum algorithms and provides a blueprint for their implementations

Three-Dimensional Printed Hydroxyapatite Bone Substitutes Designed by a Novel Periodic Minimal Surface Algorithm Are Highly Osteoconductive

Autologous bone remains the gold standard bone substitute in clinical practice. Therefore, the microarchitecture of newly developed synthetic bone substitutes, which reflects the spatial distribution of materials in the scaffold, aims to recapitulate the natural bone microarchitecture. However, the natural bone microarchitecture is optimized to obtain a mechanically stable, lightweight structure adapted to the biomechanical loading situation. In the context of synthetic bone substitutes, the application of a Triply Periodic Minimum Surface (TPMS) algorithm can yield stable lightweight microarchitectures that, despite their demanding architectural complexity, can be produced by additive manufacturing. In this study, we applied the TPMS derivative Adaptive Density Minimal Surfaces (ADMS) algorithm to produce scaffolds from hydroxyapatite (HA) using a lithography-based layer-by-layer methodology and compared them with an established highly osteoconductive lattice microarchitecture. We characterized them for compression strength, osteoconductivity, and bone regeneration. The in vivo results, based on a rabbit calvaria defect model, showed that bony ingrowth into ADMS constructs as a measure of osteoconduction depended on minimal constriction as it limited the maximum apparent pore diameter in these scaffolds to 1.53 mm. Osteoconduction decreased significantly at a diameter of 1.76 mm. The most suitable ADMS microarchitecture was as osteoconductive as a highly osteoconductive orthogonal lattice microarchitecture in noncritical- and critical-size calvarial defects. However, the compression strength and microarchitectural integrity in vivo were significantly higher for scaffolds with their microarchitecture based on the ADMS algorithm when compared with high-connectivity lattice microarchitectures. Therefore, bone substitutes with high osteoconductivity can be designed with the advantages of the ADMS-based microarchitectures. As TPMS and ADMS microarchitectures are true lightweight structures optimized for high mechanical stability with a minimal amount of material, such microarchitectures appear most suitable for bone substitutes used in clinical settings to treat bone defects in weight-bearing and non-weight-bearing sites

Search for new particles in events with energetic jets and large missing transverse momentum in proton-proton collisions at root s=13 TeV

A search is presented for new particles produced at the LHC in proton-proton collisions at root s = 13 TeV, using events with energetic jets and large missing transverse momentum. The analysis is based on a data sample corresponding to an integrated luminosity of 101 fb(-1), collected in 2017-2018 with the CMS detector. Machine learning techniques are used to define separate categories for events with narrow jets from initial-state radiation and events with large-radius jets consistent with a hadronic decay of a W or Z boson. A statistical combination is made with an earlier search based on a data sample of 36 fb(-1), collected in 2016. No significant excess of events is observed with respect to the standard model background expectation determined from control samples in data. The results are interpreted in terms of limits on the branching fraction of an invisible decay of the Higgs boson, as well as constraints on simplified models of dark matter, on first-generation scalar leptoquarks decaying to quarks and neutrinos, and on models with large extra dimensions. Several of the new limits, specifically for spin-1 dark matter mediators, pseudoscalar mediators, colored mediators, and leptoquarks, are the most restrictive to date.Peer reviewe

Combined searches for the production of supersymmetric top quark partners in proton-proton collisions at root s=13 TeV

A combination of searches for top squark pair production using proton-proton collision data at a center-of-mass energy of 13 TeV at the CERN LHC, corresponding to an integrated luminosity of 137 fb(-1) collected by the CMS experiment, is presented. Signatures with at least 2 jets and large missing transverse momentum are categorized into events with 0, 1, or 2 leptons. New results for regions of parameter space where the kinematical properties of top squark pair production and top quark pair production are very similar are presented. Depending on themodel, the combined result excludes a top squarkmass up to 1325 GeV for amassless neutralino, and a neutralinomass up to 700 GeV for a top squarkmass of 1150 GeV. Top squarks with masses from 145 to 295 GeV, for neutralino masses from 0 to 100 GeV, with a mass difference between the top squark and the neutralino in a window of 30 GeV around the mass of the top quark, are excluded for the first time with CMS data. The results of theses searches are also interpreted in an alternative signal model of dark matter production via a spin-0 mediator in association with a top quark pair. Upper limits are set on the cross section for mediator particle masses of up to 420 GeV

Probing effective field theory operators in the associated production of top quarks with a Z boson in multilepton final states at root s=13 TeV

Peer reviewe