量子网络演化博弈理论

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合作无论在自然界还是在人类社会都是最广泛也最重要的现象之一。然而尽管合作行为在我们的生活当中很常见,它背后的产生机制却并不是显而易见的。因为我们每个人都是自私的个体,整体的全局合作如何会从局部的自私的个体中演化出来,这是一个令人惊奇的现象。  在传统的博弈论看来,每个个体都是绝对理性的。显然,这个假设与实际不符合。实际上没有人在现实生活当中做出的决定可以是认为完全理性的。演化博弈的均衡由有限理想的个体随着时间的演化不断更新自身策略得到,因而更加贴近实际。自诞生以来,演化博弈论普遍被认为是解释这一课题的较为合理的框架。  复杂网络是近年来复杂性科学研究热点之一。它的出现推动了多门学科的共同发展。网络科学是一门有着重要意义的交叉学科,与经济学、社会学、理论生物学、物理学以及计算机科学都有着紧密的联系。随着网络科学的研究的不断深入,基于网络的演化博弈论也相应而生。由于有着许多不同的网络模型,网络上的演化博弈可以更加方便的描述具有不同结构的社会当中的博弈。基于网络演化博弈论,本文的主要研究工作如下:  我们提出了合作涌现和合作收敛的概念。以往的研究都是基于平均情况考虑,而合作收敛则考虑最坏情况下的合作现象。也就是说,如果网络中的合作是收敛的,每次实验结果的合作率都必须保持在一个较高的水平上。尽管社区已经有许多研究,但是社区结构的好坏对合作率的影响却没有一个很确定的答案。本文对于这个问题给出了自己的答案。  本文提出了自然选择模型,在模型当中无论是网络演化的囚徒困境模型还是公共物品博弈模型合作都可以快速而稳定的涌现出来。本文通过结构熵的重要概念较好的揭示了合作与社区大小之间的关系,发现了在公共物品博弈模型当中合作率和网络结构熵的相关关系。但是如果要考虑合作收敛的情况,仅仅依靠网络结构还不能保证较高合作率的出现。  量子纠缠是量子世界里的普遍现象。本文研究了网络演化量子博弈论,揭示了纠缠在量子博弈当中的重要作用,提出了超级合作者的概念。我们用量子博弈当中的纠缠,来描述人与人之间的相互信任关系。我们把采取特殊的量子策略的个体当做网络当中的超级合作者。因为超级合作者的合作关系要比普通合作者稳定很多。  在经典的网络演化博弈论当中,虽然网络的异质性可以促进合作现象的产生,但是合作现象很难在同质网络当中出现。但是当我们引入纠缠度这个概念之后,情况发生了变化。随着纠缠度的增大,网络当中最终的合作率也会逐渐上升。当纠缠度达到一定的程度时,合作率在二维方格中,ER模型中以及小世界模型中都能达到一个很高的值。  在某些特定的情况下,网络当中的合作率会忽然涌现。本文揭示和解释了在演化量子博弈论的框架下,合作率突然涌现的原因。我们发现在完全版本的量子网络囚徒困境中,那么随着纠缠度的提升,合作率在二维方格中,ER模型中以及小世界模型当中都会存在着十分明显的突变。也就是说当纠缠度低于一定的阈值,网络当中的合作现象几乎不存在,而当纠缠度高于这个阈值之后,几乎每一个网络上的参与者都会变成合作者。  我们用平均场的方法理论计算出了这个阈值。与实验对比发现,当对于同质性较强的网络来说理论和实验符合的很好,但是对于异质性网络来说平均场的方法就失效了。最后我们研究了网络量子博弈的合作收敛情况。我们发现哪怕是研究关于合作收敛的情况,当纠缠度达到一定的值的时候,整个网络当中仍然能够保持着较高的合作率。
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