論文の概要: Fast gradient-free optimization of excitations in variational quantum eigensolvers
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2409.05939v1
- Date: Mon, 9 Sep 2024 18:00:00 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2024-09-11 21:59:49.840327
- Title: Fast gradient-free optimization of excitations in variational quantum eigensolvers
- Title（参考訳）: 変分量子固有解法における励起の高速勾配なし最適化
- Authors: Jonas Jäger, Thierry Nicolas Kaldenbach, Max Haas, Erik Schultheis,
- Abstract要約: 我々は、物理的に動機づけられたAns"atze演算子に対して、グローバルにインフォームドされた勾配のない励起であるExcitationを紹介する。
励起は固定されたアンザッツのパラメータの1つのスイープで精度を得る。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 1.6874375111244329
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: We introduce ExcitationSolve, a fast globally-informed gradient-free optimizer for physically-motivated ans\"atze constructed of excitation operators, a common choice in variational quantum eigensolvers. ExcitationSolve is to be classified as an extension of quantum-aware and hyperparameter-free optimizers such as Rotosolve, from parameterized unitaries with generators $G$ of the form $G^2=I$, e.g., rotations, to the more general class of $G^3=G$ exhibited by the physically-inspired excitation operators such as in the unitary coupled cluster approach. ExcitationSolve is capable of finding the global optimum along each variational parameter using the same quantum resources that gradient-based optimizers require for a single update step. We provide optimization strategies for both fixed- and adaptive variational ans\"atze, as well as a multi-parameter generalization for the simultaneous selection and optimization of multiple excitation operators. Finally, we demonstrate the utility of ExcitationSolve by conducting electronic ground state energy calculations of molecular systems and thereby outperforming state-of-the-art optimizers commonly employed in variational quantum algorithms. Across all tested molecules in their equilibrium geometry, ExcitationSolve remarkably reaches chemical accuracy in a single sweep over the parameters of a fixed ansatz. This sweep requires only the quantum circuit executions of one gradient descent step. In addition, ExcitationSolve achieves adaptive ans\"atze consisting of fewer operators than in the gradient-based adaptive approach, hence decreasing the circuit execution time.
- Abstract（参考訳）: 本稿では, 変動量子固有解法における一般的な選択である励起演算子で構成された物理動機付 ans\atze のための高速なグローバルインフォームド勾配最適化器 ExcitationSolve を紹介する。
ExcitationSolve は、Rotosolve のような量子認識やハイパーパラメータフリーのオプティマイザの拡張として分類され、G^2=I$, e g , rotations という形の生成子を持つパラメータ化されたユニタリ $G$ から、ユニタリ結合クラスタアプローチのような物理的に着想を得た励起演算子によって示されるより一般的なクラス $G^3=G$ に分類される。
ExcitationSolveは、勾配ベースのオプティマイザが単一更新ステップで要求するのと同じ量子リソースを使用して、各変分パラメータに沿ってグローバルな最適化を見つけることができる。
固定変分 ans\atze と適応変分 ans\atze の2つの最適化戦略と、複数励起演算子の同時選択と最適化のためのマルチパラメータ一般化を提供する。
最後に,分子系の電子状態エネルギー計算を行ない,変分量子アルゴリズムで一般的に用いられる最先端の最適化器より優れた性能を発揮することによるExcitationSolveの有用性を実証する。
平衡幾何学における全ての試験された分子の中で、ExcitationSolveは固定されたアンザッツのパラメータの1つのスイープにおいて化学的精度を著しく上回っている。
このスイープは1つの勾配降下ステップの量子回路実行のみを必要とする。
さらに、ExcitationSolveは、勾配ベースの適応アプローチよりも少ない演算子からなる適応型 ans\atze を実現し、回路実行時間を短縮する。
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