Variational Quantum Algorithms (VQAs) are promising for near- and intermediate-term quantum computing, but their execution cost is substantial. Each task requires many iterations and numerous circuits per iteration, and real-world applications often involve multiple tasks, scaling with the precision needed to explore the application's energy landscape. This demands an enormous number of execution shots, making practical use prohibitively expensive. We observe that VQA costs can be significantly reduced by exploiting execution similarities across an application's tasks. Based on this insight, we propose TreeVQA, a tree-based execution framework that begins by executing tasks jointly and progressively branches only as their quantum executions diverge. Implemented as a VQA wrapper, TreeVQA integrates with typical VQA applications. Evaluations on scientific and combinatorial benchmarks show shot count reductions of $25.9\times$ on average and over $100\times$ for large-scale problems at the same target accuracy. The benefits grow further with increasing problem size and precision requirements.


翻译:变分量子算法(VQAs)在近期和中期量子计算中展现出巨大潜力,但其执行成本高昂。每个任务需要多次迭代且每次迭代涉及大量量子线路,而实际应用通常包含多个任务,其数量随探索应用能量景观所需精度而增加。这要求执行巨量的计算次数,使得实际应用成本过高。我们观察到,通过利用应用中各任务间的执行相似性,可显著降低VQA成本。基于这一发现,我们提出了TreeVQA——一种基于树的执行框架,该框架从联合执行任务开始,仅当量子执行过程出现分歧时才逐步分支。TreeVQA作为VQA封装器实现,可与典型VQA应用集成。在科学与组合优化基准测试上的评估表明,在相同目标精度下,平均可减少$25.9\\times$的执行次数,大规模问题甚至可降低超过$100\\times$。随着问题规模和精度要求的增加,其优势进一步扩大。

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