Quantum Approximate Optimization algorithm (QAOA) is one of the candidates to achieve a near-term quantum advantage. To search for such a quantum advantage in solving any problem, it is crucial to first understand the difference between problem instances' empirical hardness for QAOA and classical algorithms. We identify a computational phase transition of QAOA when solving hard problems such as 3-SAT -- the performance is worst at the well-known SAT-UNSAT phase transition, where the hardest instances lie. We connect the transition to the controllability and the complexity of QAOA circuits. Such a transition is absent for 2-SAT and QAOA achieves close to perfect performance at the problem size we studied. Then, we show that the high problem density region, which limits QAOA's performance in hard optimization problems (reachability deficits), is actually a good place to utilize QAOA: its approximation ratio has a much slower decay with the problem density, compared to classical approximate algorithms. Indeed, it is exactly in this region that quantum advantages of QAOA can be identified. The computational phase transition generalizes to other Hamiltonian-based algorithms, such as the quantum adiabatic algorithm.


翻译:Qantum Apject 优化算法(QAOA)是获得近期量子优势的候选者之一。为了在解决任何问题时寻求这种量子优势,首先必须了解问题实例对QAOA的实验性硬性和古典算法之间的区别。当解决3SAT等棘手问题时,我们确定QAOA的计算阶段过渡阶段 -- -- 在众所周知的SAT-UNSAT阶段过渡阶段,其性能是最差的,最困难的情况是那里。我们把这种转变与QAOA电路的可控性和复杂性联系起来。对于2SAT和QAOA没有这种转变,在所研究的问题规模上接近于完美的性能。然后,我们表明高问题密度区域,它限制了QAOA的性能,限制了硬优化问题(可达性赤字),实际上是一个利用QAOA的好地方:其近似比率与问题密度相比,与典型的测算法相比,其衰败得要慢得多。事实上,在这个区域里,QAAAAAA级算法的定量算法具有这样的一般性优势。

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