Strategie kwantowe w teorii gier

Podobne dokumenty
Gry kwantowe na łańcuchach spinowych

Modelowanie Preferencji a Ryzyko. Dlaczego w dylemat więźnia warto grać kwantowo?

Kwantowa implementacja paradoksu Parrondo

11. Gry Macierzowe - Strategie Czyste i Mieszane

Teoria gier. wstęp Teoria gier Zdzisław Dzedzej 1

Wstęp do komputerów kwantowych

Wykłady z Mechaniki Kwantowej

Co to jest wektor? Jest to obiekt posiadający: moduł (długość), kierunek wraz ze zwrotem.

Gry o sumie niezerowej

Kryptografia. z elementami kryptografii kwantowej. Ryszard Tanaś Wykład 13

Rozdział 3. Tensory. 3.1 Krzywoliniowe układy współrzędnych

Przestrzeń unitarna. Jacek Kłopotowski. 23 października Katedra Matematyki i Ekonomii Matematycznej SGH

Wstęp do Modelu Standardowego

TEORIA GIER W EKONOMII WYKŁAD 5: GRY DWUOSOBOWE KOOPERACYJNE O SUMIE NIESTAŁEJ

II. POSTULATY MECHANIKI KWANTOWEJ W JĘZYKU WEKTORÓW STANU. Janusz Adamowski

TEORIA GIER W NAUKACH SPOŁECZNYCH. Równowagi Nasha. Rozwiązania niekooperacyjne.

Informatyka kwantowa. Zaproszenie do fizyki. Zakład Optyki Nieliniowej. wykład z cyklu. Ryszard Tanaś. mailto:tanas@kielich.amu.edu.

Teoria Gier - wojna, rybołówstwo i sprawiedliwość w polityce.

10. Wstęp do Teorii Gier

Miary splątania kwantowego

Komputery Kwantowe. Sprawy organizacyjne Literatura Plan. Komputery Kwantowe. Ravindra W. Chhajlany. 27 listopada 2006

Kwantowa kooperacja. Robert Nowotniak. Wydział Fizyki Technicznej, Informatyki i Matematyki Stosowanej Politechnika Łódzka

Elementy teorii gier. Badania operacyjne

Teoria gier. mgr Przemysław Juszczuk. Wykład 5 - Równowagi w grach n-osobowych. Instytut Informatyki Uniwersytetu Śląskiego

bity kwantowe zastosowania stanów splątanych

Podstawy robotyki. Wykład II. Robert Muszyński Janusz Jakubiak Instytut Informatyki, Automatyki i Robotyki Politechnika Wrocławska

O informatyce kwantowej

Modelowanie zależności. Matematyczne podstawy teorii ryzyka i ich zastosowanie R. Łochowski

Uniwersytet Warszawski Teoria gier dr Olga Kiuila LEKCJA 3

Elementy Modelowania Matematycznego

PODSTAWY RACHUNKU WEKTOROWEGO

Równanie Schrödingera

Pochodna funkcji. Niech f : A R, a A i załóżmy, że istnieje α > 0 taka, że

Metody Lagrange a i Hamiltona w Mechanice

Zadania z algebry liniowej Iloczyn skalarny, przestrzenie euklidesowe

ALGEBRA LINIOWA Z ELEMENTAMI GEOMETRII ANALITYCZNEJ. 1. Ciała

Aby przygotować się do kolokwiów oraz do egzaminów należy ponownie przeanalizować zadania

Seminarium: Efekty kwantowe w informatyce

DLACZEGO W DYLEMAT WIĘŹNIA WARTO GRAĆ KWANTOWO? *

Jak wygrywać w brydża znając mechanikę kwantową?

Obliczenia inspirowane Naturą

Gry w postaci normalnej

MODELOWANIE RZECZYWISTOŚCI

Procesy stochastyczne

Ćwiczenia: Ukryte procesy Markowa lista 1 kierunek: matematyka, specjalność: analiza danych i modelowanie, studia II

TEORIA GIER W EKONOMII WYKŁAD 6: GRY DWUOSOBOWE KOOPERACYJNE O SUMIE DOWOLNEJ

Algorytm Grovera. Kwantowe przeszukiwanie zbiorów. Robert Nowotniak

WYK LAD 5: GEOMETRIA ANALITYCZNA W R 3, PROSTA I P LASZCZYZNA W PRZESTRZENI R 3

V. KWANTOWE BRAMKI LOGICZNE Janusz Adamowski

bity kwantowe zastosowania stanów splątanych

Teoria gier matematyki). optymalności decyzji 2 lub więcej Decyzja wpływa na wynik innych graczy strategiami

Procesy stochastyczne

Informacja o przestrzeniach Hilberta

Analityczna postać równowagi Nasha w postaci sprzężenia zwrotnego w modelu Lanchestera

GAL 80 zadań z liczb zespolonych

Modelowanie sytuacji konfliktowych, w których występują dwie antagonistyczne strony.

Lista zadania nr 7 Metody probabilistyczne i statystyka studia I stopnia informatyka (rok 2) Wydziału Ekonomiczno-Informatycznego Filia UwB w Wilnie

Drgania i fale II rok Fizyk BC

2 1 3 c c1. e 1, e 2,..., e n A= e 1 e 2...e n [ ] M. Przybycień Matematyczne Metody Fizyki I

Praca domowa - seria 6

1. Matematyka Fizyki Kwantowej: Cześć Druga

Internet kwantowy. (z krótkim wstępem do informatyki kwantowej) Jarosław Miszczak. Instytut Informatyki Teoretycznej i Stosowanej PAN

TEORIA GIER W NAUKACH SPOŁECZNYCH. Gry macierzowe, rybołówstwo na Jamajce, gry z Naturą

Przestrzenie wektorowe

Metody Lagrange a i Hamiltona w Mechanice

Propedeutyka teorii gier

macierze jednostkowe (identyczności) macierze diagonalne, które na przekątnej mają same

Gry hazardowe, gry ewolucyjne, ekspresja genów, tak czy owak łańcuchy Markowa

Wprowadzenie do teorii komputerów kwantowych

Akwizycja i przetwarzanie sygnałów cyfrowych

Granica i ciągłość funkcji. 1 Granica funkcji rzeczywistej jednej zmiennej rzeczywsitej

Dynamika relatywistyczna

L.Kowalski zadania z rachunku prawdopodobieństwa-zestaw 2 ZADANIA - ZESTAW 2

Liczby zespolone. P. F. Góra (w zastępstwie prof. K. Rościszewskiego) 27 lutego 2007

III. Układy liniowe równań różniczkowych. 1. Pojęcie stabilności rozwiązań.

Zestaw zadań z Równań różniczkowych cząstkowych I 18/19

VI. KORELACJE KWANTOWE Janusz Adamowski

Niezb. ednik matematyczny. Niezb. ednik matematyczny

Metoda najmniejszych kwadratów

1. Liczby zespolone Stwierdzić kiedy kwadrat liczby zespolonej jest liczbą. (i) rzeczywistą, (ii) ujemną, (iii) tylko urojoną?

R n = {(x 1, x 2,..., x n ): x i R, i {1,2,...,n} },

Matematyczne Metody Fizyki I Dr hab. inż. Mariusz Przybycień

Matematyczne Metody Fizyki I

Teoria gier matematyki). optymalności decyzji 2 lub więcej Decyzja wpływa na wynik innych graczy strategiami

TEORIA GIER W EKONOMII WYKŁAD 2: GRY DWUOSOBOWE O SUMIE ZEROWEJ. dr Robert Kowalczyk Katedra Analizy Nieliniowej Wydział Matematyki i Informatyki UŁ

Mechanika Kwantowa. Maciej J. Mrowiński. 24 grudnia Funkcja falowa opisująca stan pewnej cząstki ma następującą postać: 2 x 2 )

Teoria gier. prof. UŚ dr hab. Mariusz Boryczka. Wykład 4 - Gry o sumie zero. Instytut Informatyki Uniwersytetu Śląskiego

1 Rozwiązywanie układów równań. Wyznaczniki. 2 Wektory kilka faktów użytkowych

Czym jest użyteczność?

Prawdopodobieństwo i statystyka

Matematyk Ci powie, co łączy Eugeniusza Oniegina i gry hazardowe

1 Macierze i wyznaczniki

VI. Równania różniczkowe liniowe wyższych rzędów

VIII. TELEPORTACJA KWANTOWA Janusz Adamowski

Przekształcenia liniowe

Tworzenie gier na urządzenia mobilne

Mechanika kwantowa ćwiczenia, 2007/2008, Zestaw II

Aproksymacja. j<k. L 2 p[a, b] l 2 p,n X = Lemat 1. Wielomiany ortogonalne P 0,P 1,...,P n tworza przestrzeni liniowej Π n. Dowód.

Bisymulacja. Niezawodność systemów współbieżnych i obiektowych. Grzegorz Maj Grzegorz Maj Bisymulacja

MODELOWANIE RZECZYWISTOŚCI

Transkrypt:

Uniwersytet Jagielloński adam.wyrzykowski@uj.edu.pl 18 stycznia 2015

Plan prezentacji 1 Gra w odwracanie monety (PQ penny flip) 2 Wojna płci Definicje i pojęcia Równowagi Nasha w Wojnie płci 3 Kwantowanie Wojny płci Kwantowa Wojna płci pod nieobecność splątania Wpływ splątania na kwantową Wojnę płci 4

Gra w odwracanie monety (PQ penny flip) Zasady gry Gracze Q i P nie znają bieżącej orientacji monety ani ruchów przeciwnika. Początkowo moneta jest ustawiona reszką do góry. Ruch każdego z graczy polega na odwróceniu monety lub pozostawieniu jej stanu bez zmian. Kolejność ruchów jest następująca: pierwszy ruch gracza Q, ruch gracza P, kończący rozgrywkę ruch gracza Q. Jeżeli końcowy stan monety to reszka, wygrywa Q, jeżeli orzeł wygrywa P. NN NF FN FF N -1 1 1-1 F 1-1 -1 1 Tabela : Tabela wypłat gracza P

Kwantowanie gry w odwracanie monety ψ >= a R > +b O > aa + bb = 1 ( ) 1 R > O > 0 ( ) 0 1 Strategie klasyczne Liniowa kombinacja odwrócenia monety z prawdopodobieństwem p i pozostawienia jej stanu bez zmian z pr-stwem (1 p): U P = p ( ) ( ) 0 1 1 0 +(1 p) 1 0 0 1 Strategie kwantowe Operacje unitarne: ( ) c d U Q = d c gdzie c 2 + d 2 = 1.,

Przewaga strategii kwantowych ( ) ( ψ 1 >= U Q R >= 1 1 1 1 2 1 1 0 ψ 2 >= U P ψ 1 >= 1 2 (p ) = 1 2 ( 1 1 ( ) 0 1 + (1 p) 1 0 ) ( 1 0 0 1 = 1 2 ( R > + O >) (1) )) ( ) 1 1 = 1 2 ( 1 1 ) (2) ( ) ( ) ( ) ψ 3 >= U Q ψ 2 >= 1 2 1 1 1 1 1 2 = = R > (3) 1 1 1 0

Wojna płci Gra w odwracanie monety (PQ penny flip) Wojna płci Definicje i pojęcia Równowagi Nasha w Wojnie płci α > β > γ Rysunek : Macierz wypłat (źródło obrazka [2]).

Definicje i pojęcia (cz. 1) Wojna płci Definicje i pojęcia Równowagi Nasha w Wojnie płci Statyczna gra o pełnej informacji Każdy z graczy zna dostępne strategie innych i wynikające z nich wypłaty, ale poznają wybrane przez nich strategie dopiero wraz z końcem gry. Należy określić: liczbę graczy i = 1, 2,..., N; zbiory strategii dla każdego gracza {s α i }; funkcje wypłaty $ i = $ i (s 1, s 2,..., s N ), które przypisują i temu graczowi liczbę rzeczywistą (wypłatę) w zależności od strategii wybranych przez wszystkich graczy. W przypadku Wojny płci i = 2, zbiór strategii Alicji (Boba) to {O, T }, zaś funkcje wypłaty $ 1 (s 1, s 2 ) oraz $ 2 (s 1, s 2 ) są określone przez macierz wypłaty, np. $ 1 (O, O) = $ 2 (T, T ) = α.

Definicje i pojęcia (cz. 2) Wojna płci Definicje i pojęcia Równowagi Nasha w Wojnie płci Mocna dominacja strategii Strategię i tego gracza s i nazywamy ściśle zdominowaną przez strategię s i, jeżeli: $ i (s 1,..., s i,..., s N ) < $ i (s 1,..., s i,..., s N ) dla każdego wyboru (s 1,..., s i 1, s i+1,..., s N ). Równowaga Nasha Zespół strategii (s1, s 2,..., s N ) stanowi równowagę Nasha, jeżeli dla każdego gracza i zachodzi: $ i (s 1,..., s i 1, s i, s i+1,..., s N) $ i (s 1,..., s i 1, s i, s i+1,..., s N) dla każdej strategii s i dostępnej dla i tego gracza.

Definicje i pojęcia (cz. 3) Wojna płci Definicje i pojęcia Równowagi Nasha w Wojnie płci Strategie mieszane Strategia mieszana dla i tego gracza to rozkład prawdopodobieństwa, który przypisuje pr-stwo pi α każdej czystej strategii si α ze zbioru strategii i tego gracza. Wówczas $ i (s 1, s 2,..., s N ) jest zastępowane przez funkcję oczekiwanej wypłaty: $ i ({p 1 }, {p 2 },..., {p N }) = p α 1 1 pα 2 2...pα N N $ i(s α 1 1, sα 2 2,..., sα N N ) α 1,α 2,...,α N

Równowagi Nasha w Wojnie płci Wojna płci Definicje i pojęcia Równowagi Nasha w Wojnie płci p prawdopodobieństwo, że Alicja wybierze operę, p [0, 1] q prawdopodobieństwo, że Bob wybierze operę, q [0, 1] $ A (p, q) = p[q(α 2γ + β) + γ β] + β + q(γ β) (4) $ B (p, q) = q[p(α 2γ + β) + γ α] + α + p(γ α) (5) { $A (p, q ) $ A (p, q ) = (p p)[q (α + β 2γ) β + γ] 0 $ B (p, q ) $ B (p, q) = (q q)[p (α + β 2γ) α + γ] 0 (6) p (1) = 1, q (1) = 1 p (2) = 0, q (2) = 0 p (3) = α γ α+β 2γ $ A (1, 1) = α $ B (1, 1) = β $ A (0, 0) = β $ B (0, 0) = α q (3) = β γ α+β 2γ $ A = $ B = αβ γ2 α+β 2γ

Kwantowanie gry (cz. 1) Kwantowanie Wojny płci Kwantowa Wojna płci pod nieobecność splątania Wpływ splątania na kwantową Wojnę płci Reguła 1 Przestrzeń strategii Alicji S A (Boba S B ) jest dwuwymiarową przestrzenią Hilberta: ψ >= a O > +b T >, a 2 + b 2 = 1. Na początku gry ustala się dowolny początkowy stan ψ in > z przestrzeni S = S A S B = ( OO >, OT >, TO >, TT >). Reguła 2 Ruch Alicji (Boba) polega na wykonaniu operacji unitarnej A S A (B S B ) na jej (jego) kubicie stanu ψ in >. Końcowy stan wynosi ψ fin >= A B ψ in >.

Kwantowanie gry (cz. 2) Kwantowanie Wojny płci Kwantowa Wojna płci pod nieobecność splątania Wpływ splątania na kwantową Wojnę płci Reguła 3 Wartości $ A i $ B znajduje się obliczając kwadraty modułów rzutów stanu ψ fin > na wektory bazowe OO >, OT >, TO >, TT >, a następnie dodając uzyskane liczby przemnożone przez odpowiednie współczynniki z macierzy wypłat. Reguła 4 Ostatecznie Alicja musi zagrać klasyczną strategię, która wynika z pomiaru na końcowym stanie kwantowym, tzn. z rzutowania ψ fin > na wektory bazowe S A. Podobnie Bob.

Kwantowanie Wojny płci Kwantowa Wojna płci pod nieobecność splątania Wpływ splątania na kwantową Wojnę płci Równowagi Nasha faktoryzowalne stany ψ in > (cz. 1) Skoro ψ in > jest faktoryzowalny, można przyjąć bez straty ogólności ψ in >= OO >. W bazie { O >, T >} operacje Alicji i Boba mają postać: A = ( ) a b b a gdzie a 2 + b 2 = c 2 + d 2 = 1. Stan końcowy wynosi zatem: ψ fin >= A B ψ in >= ( ) c d B = d c, = ac OO > ad OT > b c TO > +b d TT >

Kwantowanie Wojny płci Kwantowa Wojna płci pod nieobecność splątania Wpływ splątania na kwantową Wojnę płci Równowagi Nasha faktoryzowalne stany ψ in > (cz. 2) Zgodnie z Regułą 3 znajdujemy więc: $ A = a 2 [(α + β 2γ) c 2 β + γ] + β + (γ β) c 2 (7) $ B = c 2 [(α + β 2γ) a 2 α + γ] + α + (γ α) a 2 (8) Wynik ten jest identyczny jak uzyskany w klasycznej teorii gier, jeżeli p = a 2 oraz q = c 2. Równowagi Nasha: ( a 2 = 0, c 2 = 0) ψ fin >= TT > $A = β $ B = α ( a 2 = 1, c 2 = 1) ψ fin >= OO > $ A = α $ B = β ( ) a 2 = α γ α+β 2γ, c 2 = β γ α+β 2γ $ A = $ B = αβ γ2 α+β 2γ ψ fin >= ( α γ O> β γ T >) ( β γ O> α γ T >) α+β 2γ

Nowe równowagi Nasha stany splątane Kwantowanie Wojny płci Kwantowa Wojna płci pod nieobecność splątania Wpływ splątania na kwantową Wojnę płci ρ A(B) fin ψ in >= a OO > +b TT >, a 2 + b 2 = 1 = pi ρ A(B) in I +(1 p)cρ A(B) in C (C O >= T, C T >= O) 1 p (1) = q (1) = 1 $ A (1, 1) = α a 2 + β b 2 $B (1, 1) = β a 2 + α b 2 2 p (2) = q (2) = 0 $ A (0, 0) = β a 2 + α b 2 $B (0, 0) = α a 2 + β b 2 3 p(3) = (α γ) a 2 +(β γ) b 2 α+β 2γ q(3) = (α γ) b 2 +(β γ) a 2 α+β 2γ $ A (p (3), q (3) ) = $ B (p (3), q (3) ) = αβ + (α β)2 a 2 b 2 γ 2 α + β 2γ

Ostateczny kompromis Kwantowanie Wojny płci Kwantowa Wojna płci pod nieobecność splątania Wpływ splątania na kwantową Wojnę płci 1. Brak samotnych wieczorów $ A (1, 1) + $ B (1, 1) = $ A (0, 0) + $ B (0, 0) = α + β 2. Równowagi Nasha 1 i 2 można połączyć { $A (1, 1) $ A (0, 0) = (α β)( a 2 b 2 ) $ B (1, 1) $ B (0, 0) = (α β)( b 2 a 2 ) kompromis = a = b = 1 2 3. Najlepsza strategia ψ in >= 1 2 ( OO > + TT >) = ψ fin > (p = 0, q = 0) albo (p = 1, q = 1) $ A = $ B = α + β 2

Paradoks więźnia klasyczne i kwantowe sformułowanie Bob: C Bob: D Alice: C (3,3) (0,5) Alice: D (5,0) (1,1) ψ f >= J (U A U B )J CC > (9) ( ) e U(θ, φ) = cos θ/2 sin θ/2 sin θ/2 e iφ cos θ/2 (10) ( ) ( ) 1 0 0 1 U(0, 0) = C = U(π, 0) = D = U ( ( ) 0, π ) i 0 0 1 1 0 2 = Q = 0 i [ ] iγd D J = exp 2 γ [0, π/2] wsp. splątania (11)

Paradoks więźnia - gra separowalna (γ = 0) Rysunek : Wypłata Alicji w grze separowalnej. Na wykresie wybrano specjalną parametryzację, w której U A i U B zależą tylko od jednego parametru t [ 1, 1]: przyjmujemy U A = U(tπ, 0) dla t [0, 1] oraz U A = U(0, tπ/2) dla t [ 1, 0) (podobnie dla Boba). Zdrada D odpowiada t = 1, współpraca C to t = 0, a strategia Q jest reprezentowana przez t = 1 (źródło obrazka [3]).

Paradoks więźnia - maksymalne splątanie (γ = π/2) Rysunek : Wypłata Alicji w grze o maksymalnym splątaniu (źródło obrazka [3]).

Podsumowanie Gra w odwracanie monety (PQ penny flip) Poszerzenie przestrzeni dostępnych strategii o strategie kwantowe może prowadzić do powstawania nowych równowag Nasha i znikania dotychczasowych. Zastosowanie strategii kwantowych może prowadzić do rozwiązań korzystniejszych dla obu graczy, klasycznie niedostępnych. Szczególną rolę w grach kwantowych spełnia splątanie stanu, na krórym operacje mogą wykonywać gracze. Gracz dysponujący strategią kwantową grający przeciwko graczowi korzystającemu wyłącznie ze strategii klasycznych na ogół będzie posiadać przewagę.

Literatura Gra w odwracanie monety (PQ penny flip) [1] David A. Meyer (1999) Quantum strategies Physical Review Letters 82 (5), 1052 1055. [2] L. Marinatto, T. Weber (2000) A quantum approach to static games of complete information Physics Letters A 272, 291 303. [3] J. Eisert, M. Wilkens, M. Lewenstein (1999) Quantum games and quantum strategies Physical Review Letters 83 (15), 3077 3080. [4] http://mindyourdecisions.com/blog/2012/09/11/ quantum-coin-flipping-game-theory/