Variational quantum circuits have been widely employed in quantum simulation and quantum machine learning in recent years. However, quantum circuits with random structures have poor trainability due to the exponentially vanishing gradient with respect to the circuit depth and the qubit number. This result leads to a general standpoint that deep quantum circuits would not be feasible for practical tasks. In this work, we propose an initialization strategy with theoretical guarantees for the vanishing gradient problem in general deep quantum circuits. Specifically, we prove that under proper Gaussian initialized parameters, the norm of the gradient decays at most polynomially when the qubit number and the circuit depth increase. Our theoretical results hold for both the local and the global observable cases, where the latter was believed to have vanishing gradients even for very shallow circuits. Experimental results verify our theoretical findings in the quantum simulation and quantum chemistry.


翻译:近年来,量子模拟和量子机学习中广泛采用了变化量子电路。然而,随机结构的量子电路由于电路深度和qubit数字的指数性消失梯度而缺乏培训能力。这导致一个总的观点,即深量电路对于实际任务来说是不可行的。在这项工作中,我们提出了一个初始化战略,为一般深量电路中消失梯度问题提供理论保障。具体地说,我们证明在适当的高西亚初始化参数下,当Qubit号和电路深度增加时,梯度的规范在多元性上会衰减。我们的理论结果为当地和全球可观测案例提供了依据,据认为后者即使对于非常浅的电路也已经消失梯度。实验结果验证了我们在量子模拟和量子化学方面的理论结果。

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