Pure quantum gradient descent algorithm and full quantum variational eigensolver

量子计算机 量子算法 梯度下降 量子排序 计算机科学 算法 量子相位估计算法 最优化问题 量子 数学优化 应用数学 数学 量子模拟器 量子力学 物理 人工智能 人工神经网络
作者
Ronghang Chen,Zhou Guang,Cong Guo,Guanru Feng,Shi‐Yao Hou
出处
期刊:Frontiers of Physics in China [Higher Education Press]
卷期号:19 (2) 被引量:5
标识
DOI:10.1007/s11467-023-1346-7
摘要

Optimization problems are prevalent in various fields, and the gradient-based gradient descent algorithm is a widely adopted optimization method. However, in classical computing, computing the numerical gradient for a function with d variables necessitates at least d + 1 function evaluations, resulting in a computational complexity of O(d). As the number of variables increases, the classical gradient estimation methods require substantial resources, ultimately surpassing the capabilities of classical computers. Fortunately, leveraging the principles of superposition and entanglement in quantum mechanics, quantum computers can achieve genuine parallel computing, leading to exponential acceleration over classical algorithms in some cases. In this paper, we propose a novel quantum-based gradient calculation method that requires only a single oracle calculation to obtain the numerical gradient result for a multivariate function. The complexity of this algorithm is just O(1). Building upon this approach, we successfully implemented the quantum gradient descent algorithm and applied it to the variational quantum eigensolver (VQE), creating a pure quantum variational optimization algorithm. Compared with classical gradient-based optimization algorithm, this quantum optimization algorithm has remarkable complexity advantages, providing an efficient solution to optimization problems. The proposed quantum-based method shows promise in enhancing the performance of optimization algorithms, highlighting the potential of quantum computing in this field.
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