Optimization of parameterized quantum circuits is indispensable for applications of near-term quantum devices to computational tasks with variational quantum algorithms (VQAs). However, the existing optimization algorithms for VQAs require an excessive number of quantum-measurement shots in estimating expectation values of observables or iterating updates of circuit parameters, whose cost has been a crucial obstacle for practical use. To address this problem, we develop an efficient framework, \textit{stochastic gradient line Bayesian optimization} (SGLBO), for the circuit optimization with fewer measurement shots. The SGLBO reduces the cost of measurement shots by estimating an appropriate direction of updating the parameters based on stochastic gradient descent (SGD) and further by utilizing Bayesian optimization (BO) to estimate the optimal step size in each iteration of the SGD. We formulate an adaptive measurement-shot strategy to achieve the optimization feasibly without relying on precise expectation-value estimation and many iterations; moreover, we show that a technique of suffix averaging can significantly reduce the effect of statistical and hardware noise in the optimization for the VQAs. Our numerical simulation demonstrates that the SGLBO augmented with these techniques can drastically reduce the required number of measurement shots, improve the accuracy in the optimization, and enhance the robustness against the noise compared to other state-of-art optimizers in representative tasks for the VQAs. These results establish a framework of quantum-circuit optimizers integrating two different optimization approaches, SGD and BO, to reduce the cost of measurement shots significantly.


翻译:优化参数化量子电路对于应用近期量子装置以变异量算法计算任务来说是必不可少的。然而,目前VQA的优化算法要求为估计可观测或循环更新电路参数的预期值而进行数量量度测镜头,其成本是实际使用的关键障碍。为解决这一问题,我们开发了一个高效框架,用较少的测量镜头优化电路。SGLBO通过估计更新基于随机梯度梯度下降的参数的适当方向,以及进一步利用Bayesian优化(BO)来估计电路参数的预期值或循环更新的预期值,从而降低测量镜头的成本。我们制定了适应性测量点战略,以便在不依赖准确的预期值估计和多次重复的情况下实现优化;此外,我们表明,平准技术能大大降低统计和硬件噪音在优化基于沙压梯度梯度的参数上的影响。我们为大幅改进SGA的精确度框架的统计和硬度优化框架可以大大降低这些成本。

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