量子计算(八)——QAOA量子近似优化算法

量子近似优化算法(Quantum Approximate Optimization Algorithm,QAOA)是一种混合量子–经典架构的变分算法,即用经典优化器迭代训练一个含参量子线路,主要用于求解组合优化问题。所谓组合优化问题,典型的如旅行商问题、背包问题等,是在有限且离散的解空间中寻找最优解的优化问题,这一解空间会随着问题规模指数增长,因此一般是NP-hard的,可以给出数学模型为:

min𝒞︀(𝑥)s.t.𝒰︀(𝑥)≥0𝑥∈𝔻

其中 𝒞︀(𝑥) 是代价函数, 𝒰︀(𝑥) 是约束条件, 𝔻 表示离散空间。在量子算法中,还会进一步要求 𝑥 是二值的。

量子绝热算法(Quantum Adiabatic Algorithm,QAA)指出,通过设计哈密顿量的演化过程,量子系统可以从易制备的初始基态绝热演化至问题哈密顿量的基态,从而获得问题的一个近似解。而QAOA借鉴于这一物理图像,将连续的绝热演化过程,经由Trotter分解处理,离散化为多层的参数化量子门序列,从而在有限的电路深度下近似求解组合优化问题。

QAOA一般要求问题的数学模型要进一步约化到二次无约束二值优化(Quadratic Unconstrained Binary Optimization,QUBO)问题,即要求代价函数 𝒞︀(𝑥) 是最高次项不超过2的多项式,变量 𝑥 取值为0或1,并且没有任何约束条件。实际上,QAOA亦可直接应用于多项式无约束二值优化(Polynomial Unconstrained Binary Optimization,PUBO)问题。相较于仅包含二次项的QUBO问题,PUBO问题推广了交互项的阶数,能够编码包含高阶关联的复杂目标函数。本节将从QUBO和PUBO问题的数学模型入手,详细说明QAOA算法的构造步骤与运行原理。


一、伊辛模型,QUBO问题与PUBO问题

伊辛模型 [1] 是统计物理中最具代表性的模型之一,用于研究自旋系统中的相变行为。伊辛模型定义在一个离散格点系综上,系统的总能量由伊辛哈密顿量给出:

ℋ︀=−𝐽∑⟨𝑖,𝑗⟩𝑠𝑖𝑠𝑗−ℎ∑𝑖𝑠𝑖

其中, ⟨𝑖,𝑗⟩ 表示所有相邻格点对的集合; 𝐽 为耦合常数,决定自旋之间的相互作用强度和类型;每个格点 𝑖 上的自旋变量 𝑠𝑖 只能取 +1 (向上)或 −1 (向下)两种状态。自旋变量 𝑠 的取值与计算机中常用的0-1布尔变量 𝑏 不相同,但可以使用 𝑠=2𝑏−1 相互转换。注意到式 (2) 中的次数为2,如果该次数能取更大的值,那么称模型为高阶伊辛模型。 在组合优化和量子计算中,许多 NP-hard 问题都可以转化为寻找等效伊辛模型的基态。 QAOA算法由Edward Farhi在2014年提出时 [2],就已经用在了有界度数图的最大割问题中。该问题是典型的QUBO问题,即其代价函数具有数学形式:

𝒞︀(𝒙)≔𝒙⊤𝑸𝒙,𝒙∈{0,1}𝑛,

其中问题中有 𝑛 个变量, 𝒙 是一个具有 𝑛 个元素的0-1向量, 𝑸 是 𝑛×𝑛 的实数矩阵。这显然是一个二次型,但由于对任意二进制变量 𝑏 都有 𝑏2=𝑏 ,因此 𝑸 的对角线元素在QUBO问题中可以特指一次项系数。有时候式 (3) 会被写成求和的形式:

𝒞︀(𝑥)=∑𝑖,𝑗=1𝑖≤𝑗𝑛𝑄′𝑖𝑗𝑥𝑖𝑥𝑗+∑𝑖=1𝑛𝑐𝑖𝑥𝑖,

从而更加方便地转换为伊辛模型。需要注意:

注 1.
  1. 式 (4) 中的 𝑄′𝑖𝑗 不一定等于式 (3) 中二次型矩阵 𝑸 的第 𝑖 行第 𝑗 列元素 𝑄𝑖𝑗 ,而应视 𝑸 的形式决定11 例如,[222044006] 和 [211142126] 都表示同一个二次型 2𝑥12+4𝑥1𝑥2+6𝑥22 ,但前者的 𝑄′12=8 ,后者的 𝑄′12=4 。。例如,若 𝑸 是对称矩阵,那么 𝑄′𝑖𝑗=2𝑄𝑖𝑗 。
  2. 𝑄′𝑖𝑗 允许 𝑖=𝑗 ,这似乎会造成与一次项求和部分的冗余。但允许 𝑖=𝑗 会使之后转换伊辛模型的计算更加简单。事实上,可以令 𝑄′𝑖𝑖=0,𝑐𝑖=𝑄𝑖𝑖 以消除冗余,此时求和号下 𝑖≤𝑗 改为 𝑖<𝑗 不影响结果。

为了将代价函数转换为伊辛模型,只需将布尔变量 𝑥𝑖 转换为自旋变量 𝑠𝑖 。通过代入变换关系 𝑥𝑖=𝑠𝑖+12 ,即可得到伊辛哈密顿量:

由于式 (5) 的最后一个求和项为常数,不影响优化问题的解,因此常常略去。令 𝐽𝑖𝑗=−𝑄′𝑖𝑗4,ℎ𝑖=−12(𝑐𝑖+∑𝑗=1𝑛𝑄′𝑖𝑗) ,就成功转化为伊辛哈密顿量:

ℋ︀(𝑠)=−∑𝑖,𝑗=1𝑛𝐽𝑖𝑗𝑠𝑖𝑠𝑗−∑𝑖=1𝑛ℎ𝑖𝑠𝑖.

当实际问题具有约束的时候,一般会通过添加惩罚项的方式将问题转换为QUBO问题。例如式 (1) 所示的原始问题,将会被转化为:

min𝒞︀(𝑥)+𝜆𝒫︀(𝑥),

其中 𝒫︀(𝑥) 是约束条件 𝒰︀(𝑥) 对应的惩罚函数; 𝜆>0 是任取的惩罚系数,一般不应取太小。表 1 给出了一些典型约束条件应转换到的惩罚函数。

表 1 约束条件及其对应惩罚函数

序号约束条件惩罚函数
1𝑥1+𝑥2≤1𝑥1𝑥2
2𝑥1+𝑥2≥11−𝑥1−𝑥2+𝑥1𝑥2
3𝑥1+𝑥2=11−𝑥1−𝑥2+2𝑥1𝑥2
4𝑥1=𝑥2𝑥1+𝑥2−2𝑥1𝑥2
5𝑥1≤𝑥2𝑥1−𝑥1𝑥2
6𝑥1+𝑥2+𝑥3≤1𝑥1𝑥2+𝑥1𝑥3+𝑥2𝑥3

以QUBO问题为基础,若不限定代价函数中最高次项的次数,则问题扩展为PUBO问题。此时代价函数可以写为:

𝒞︀(𝑥)=∑𝑖1𝑇𝑖1𝑥𝑖1+∑𝑖1<𝑖2𝑇𝑖1𝑖2𝑥𝑖1𝑥𝑖2+∑𝑖1<𝑖2<𝑖3𝑇𝑖1𝑖2𝑖3𝑥𝑖1𝑥𝑖2𝑥𝑖3+…=∑𝛿=(𝛿1,…,𝛿𝑛)∈{0,1}𝑛𝑇𝛿∏𝑖=1𝑛𝑥𝑖𝛿𝑖,

其中 𝑛 是变量的数量。通过变量代换、添加约束并转换为惩罚项的方式,PUBO问题总能被归约为QUBO问题。相关算法在文献[3]中有详尽的总结。利用变换式 𝑠=2𝑥−1 能将PUBO问题转换为高阶伊辛模型。


二、将问题编码为厄米矩阵

在“一、伊辛模型,QUBO问题与PUBO问题”节中已提到,使用自旋变量 𝑠 与布尔变量 𝑥 的变量代换 𝑠=2𝑥−1 即可将QUBO问题或PUBO问题转换为伊辛模型(包括高阶伊辛模型)。要应用QAOA算法,下一步就是将伊辛模型编码为厄米矩阵。现假设已经得到的伊辛哈密顿量为:

ℋ︀(𝑠)=∑𝛿=(𝛿1,…,𝛿𝑛)∈{0,1}𝑛ℎ𝛿∏𝑖=1𝑛𝑠𝑖𝛿𝑖,

那么只需做一点改动,即可得到对应的厄米矩阵形式哈密顿量,称为问题哈密顿量:

𝓗︀𝒞︀=∑𝛿=(𝛿1,…,𝛿𝑛)∈{0,1}𝑛ℎ𝛿⨂𝑖=1𝑛𝒁𝑖𝛿𝑖,

其中 𝒁 即泡利Z矩阵,且 𝒁0=𝒁2=𝑰 、 𝒁1=𝒁 , 𝒁𝑖 等价于将在第 𝑖 量子比特上作用Z门。之所以这样替换,是因为可以自然地将物理可观测量——自旋沿 𝑧 轴的分量,即泡利 Z 矩阵与自旋变量 𝑠 对应起来。针对问题哈密顿量 𝓗︀𝒞︀ ,有以下定理:

定理 1.(问题哈密顿量的特征向量和特征值[4])
问题哈密顿量 𝓗︀𝒞︀ 的特征向量是从 |0⟩ 到 |2𝑛−1⟩ 的计算基态,且每个特征向量 |𝑥⟩ 对应的特征值是代价函数在相应解 𝑥 下的函数值 𝒞︀(𝑥) (在不忽略常数项的情况下)。

证明. 由于:

𝑰=[1001],𝒁=[100−1]

都是对角矩阵, ⨂𝑖=1𝑛𝒁𝑖𝛿𝑖 自然也是对角矩阵,相应地求累加后 𝓗︀𝒞︀ 还是对角的,故 𝓗︀𝒞︀ 的对角元素就是特征值。同时,由于 𝑰,𝒁 在计算基下可选 {|0⟩,|1⟩} 作为共同特征向量,故任意矩阵 𝑼∈{𝑰,𝒁}⊗𝑛 都可选 {|0⟩,|1⟩}⊗𝑛 即所有计算基态作为特征向量,进一步地 𝓗︀𝒞︀ 作为 {𝑰,𝒁}⊗𝑛 中矩阵的实系数线性组合也能以所有计算基态作为特征向量。

另一方面,将特征向量 |𝑥⟩ 写为二进制形式 |𝑥1…𝑥𝑛⟩ 并令 𝑠𝑖=2𝑥𝑖−1 。一个显然的结果是对于任意 𝛿∈{0,1}𝑛 有:

(⨂𝑖=1𝑛𝒁𝑖𝛿𝑖)|𝑥⟩=(∏𝑖=1𝑛𝑠𝑖𝛿𝑖)|𝑥⟩,

因为每有一个 𝑥𝑖=1 且 𝛿𝑖=1 就会使 |𝑥⟩ 乘一次 −1 。那么:

𝓗︀𝒞︀|𝑥⟩=(∑𝛿ℎ𝛿⨂𝑖=1𝑛𝒁𝑖𝛿𝑖)|𝑥⟩=(∑𝛿ℎ𝛿∏𝑖=1𝑛𝑠𝑖𝛿𝑖)|𝑥⟩=ℋ︀(𝑠)|𝑥⟩.

在不忽略常数项的情况下, ℋ︀(𝑠)=𝒞︀(𝑥) ,所以 𝓗︀𝒞︀|𝑥⟩=𝒞︀(𝑥)|𝑥⟩ ,故 |𝑥⟩ 对应的特征值就是相应的代价 𝒞︀(𝑥) 。

□

显然一种求解此组合优化问题的方法就是从 𝓗︀𝒞︀ 中找到最小的特征值,再以此求出对应特征向量。但必须指出, 𝓗︀𝒞︀ 是 2𝑛 阶的,因此该方法并没有摆脱指数增长带来的困难。然而另一方面,对于一个哈密顿量,其最小特征值对应的特征向量正是量子系统的基态。因此,量子绝热算法基于量子绝热定理,通过设计一条演化路径,将一个易于制备基态的哈密顿量连续地演化为问题哈密顿量。若演化足够缓慢且满足绝热条件,最终系统将处于问题哈密顿量的基态,此时对该态进行测量,即可得到优化问题的解。而QAOA借鉴量子绝热算法,以参数化量子电路来分段近似模拟绝热演化。

定理 2.(量子绝热定理)
对于一个缓慢变化的、无简并的哈密顿量,如果系统初始处于其基态或某个瞬时能级的本征态,则系统在随时间演化的过程中将始终保持在相应的瞬时能级态上,而不会跃迁到其他能级。

三、分段近似模拟绝热演化

接下来首先给出QAOA的整体结构与电路图,之后再分模块介绍。QAOA的算法过程可以用下式完整表示:

|𝜸,𝜷⟩=𝑈(𝓗︀𝐵,𝛽𝑝)𝑈(𝓗︀𝒞︀,𝛾𝑝)⏟第𝑝层…𝑈(𝓗︀𝐵,𝛽2)𝑈(𝓗︀𝒞︀,𝛾2)⏟第2层𝑈(𝓗︀𝐵,𝛽1)𝑈(𝓗︀𝒞︀,𝛾1)⏟第1层|𝑠⟩,

其对应量子电路如图 1 所示。其中, 𝓗︀𝒞︀ 即前文所述的问题哈密顿量, 𝓗︀𝐵 是混合哈密顿量,定义为:

𝓗︀𝐵=∑𝑖=1𝑛𝑿𝑖,

𝑿𝑖 等价于将在第 𝑖 量子比特上作用X门。 𝜸=(𝛾1,…,𝛾𝑝),𝜷=(𝛽1,…,𝛽𝑝) 分别是包含 𝑝 个角度参数的参数向量,称参数 𝑝 为深度。由图 1 可知 |𝑠⟩ 正是初态 |0⟩⊗𝑛 被作用 𝐻⊗𝑛 之后得到的均匀叠加态 |+⟩⊗𝑛 。而:

𝑈(𝓗︀,𝜃)=e−i𝜃𝓗︀

是一个酉算子,接受一个矩阵和角度作为输入,输出一个酉矩阵。简便起见,将任意一层记为酉算子 𝐿𝑖(𝛾𝑖,𝛽𝑖)=𝑈(𝓗︀𝐵,𝛽𝑖)𝑈(𝓗︀𝒞︀,𝛾𝑖) ,所有层记为酉算子 𝐿(𝜸,𝜷)=∏𝑖=𝑝1𝐿𝑖(𝛾𝑖,𝛽𝑖) 。

图 1 QAOA量子电路示意

若在式 (16) 中代入 𝓗︀𝐵 与 𝛽 ,那么可做如下计算:

𝑈(𝓗︀𝐵,𝛽)=e−i𝛽∑𝑖=1𝑛𝑿𝑖=∏𝑖=1𝑛e−i𝛽𝑿𝑖=⨂𝑖=1𝑛e−i𝛽𝑿=⨂𝑖=1𝑛(cos(𝛽)𝑰−isin(𝛽)𝑿)=⨂𝑖=1𝑛𝑅𝑋𝑖(2𝛽),

这说明混合酉算子 𝑈(𝓗︀𝐵,𝛽) 的作用就是在每一个量子比特上都作用一个 𝑅𝑋(2𝛽) 门,如图 2 所示。 𝑅𝑋(𝜃) 门是:

𝑅𝑋(𝜃)=[cos𝜃2−isin𝜃2−isin𝜃2cos𝜃2]

因此,在量子电路图 1 中,唯一会随着问题而变的结构是问题酉算子 𝑈(𝓗︀𝒞︀,𝛾∗) ,故只要研究清楚问题哈密顿量 𝓗︀𝒞︀ 会如何构建量子电路,QAOA的电路构建就手到擒来了。

图 2 混合酉算子 𝑈(𝓗︀𝐵,𝛽) 的作用

观察式 (10),注意到 {𝑰,𝒁}⊗𝑛 中的矩阵是两两对易的,因此在式 (16) 中代入问题哈密顿量 𝓗︀𝒞︀ 与其对应角度参数 𝛾 即得:

𝑈(𝓗︀𝒞︀,𝛾)=e−i𝛾∑𝛿ℎ𝛿⨂𝑖=1𝑛𝒁𝑖𝛿𝑖=∏𝛿e−i(ℎ𝛿𝛾)⨂𝑖=1𝑛𝒁𝑖𝛿𝑖.

显然可以认为系数是角度参数的一部分,之后再回过头来处理。上式主要透露出的信息是:只需要考虑 e−i𝛾⨂𝑖=1𝑛𝒁𝑖𝛿𝑖 最终能转换成什么电路,就解决了QAOA整体电路构建的问题。现给出以下定理:

定理 3.( 𝑍𝑖1 与 𝑍𝑖1⊗𝑍𝑖2 对应的酉算子及其量子电路)

若算子 𝓗︀=𝒁𝑖1 ,那么其对应酉算子是 𝑈(𝓗︀,𝛾)=e−i𝛾𝒁𝑖1=𝑅𝑍𝑖1(2𝛾) ,即在第 𝑖1 量子比特上作用 𝑅𝑍(2𝛾) 门,如图 3之左图所示。 𝑅𝑍(𝜃) 门是:

𝑅𝑍(𝜃)=[e−i𝜃200ei𝜃2]

若算子 𝓗︀=𝒁𝑖1⊗𝑍𝑖2 ,那么其对应酉算子是 e−i𝛾𝒁𝑖1⊗𝑍𝑖2=CNOT𝑖2𝑖1⋅𝑅𝑍𝑖2(2𝛾)⋅CNOT𝑖2𝑖1 ,其量子电路如图 3之右图所示, CNOT𝑖2𝑖1 表示以第 𝑖1 量子比特为控制位、第 𝑖2 量子比特为受控位。

图 3 𝑍𝑖1与𝑍𝑖1⊗𝑍𝑖2对应的量子电路

证明. 首先当 𝓗︀=𝒁 时做如下计算:

𝑈(𝓗︀,𝛾)=e−i𝛾𝒁=cos(𝛽)𝑰−isin(𝛽)𝒁=diage−i𝛾,ei𝛾=𝑅𝑍(2𝛾)

在考虑将要作用到的量子比特后,易证定理的第一部分。而当 𝓗︀=𝒁⊗𝑍 时,计算如下:

𝑈(𝓗︀,𝛾)=e−i𝛾𝒁⊗𝒁=diag{−ei𝛾,ei𝛾,ei𝛾,e−i𝛾}=CNOT⋅𝑅𝑍(2𝛾)⋅CNOT

在考虑将要作用到的量子比特后定理第二部分得证。

□

必须指出,图 3中的 𝑞𝑖1 与 𝑞𝑖2 并不一定是相邻的, 𝑖1,𝑖2 的取值只取决于式(10) 中的 𝛿 。由此定理得到以下推论:

推论 1.( ⨂𝑘=1𝑛𝑍𝑖𝑘 对应的酉算子及其量子电路)

若算子 𝓗︀=⨂𝑘=1𝑛𝑍𝑖𝑘 ,那么其对应酉算子 𝑈(𝓗︀,𝛾) 的量子电路如式(23)和图 4所示。

(∏𝑘=1𝑛−1CNOT𝑖𝑛𝑖𝑘)⋅𝑅𝑍𝑖𝑛(2𝛾)⋅(∏𝑘=1𝑛−1CNOT𝑖𝑛𝑖𝑛−𝑘)
图 4 ⨂𝑘=1𝑛𝑍𝑖𝑘对应的量子电路
证明. 证明留给读者作为习题。提示:使用数学归纳法。
□

由定理 3,任意QUBO问题都能轻易地转化为QAOA量子电路了;进一步地,由推论 1,任意PUBO问题也能转化为量子电路。但千万别忘了:QAOA的终态 |𝜸,𝜷⟩ 是由 𝜸,𝜷 中共 2𝑝 个角度参数决定的,这些参数直接影响了算法对量子绝热过程的近似模拟的好坏。因此QAOA的下一步,是寻找到一组足够好的参数、以尽可能地模拟真实的量子绝热过程,或者说输出足够好的结果。


四、经典参数的训练

与经典计算中的机器学习、神经网络类似,这些角度参数也通常通过梯度下降法训练。衡量结果好坏的标准是——终态 |𝜸,𝜷⟩ 所代表的自旋构型 𝑠 输入到伊辛哈密顿量后得到的期望能量值,即如式(9) 所示的 ℋ︀(𝑠) ,越低越好。显然该值也可以使用问题哈密顿量计算出:

⟨𝓗︀𝒞︀⟩(𝜸,𝜷)=⟨𝜸,𝜷|𝓗︀𝒞︀|𝜸,𝜷⟩

这一关于参数 𝜸,𝜷 的函数称为能量景观(Energy Landscape)。假定角度参数 𝜽=(𝜸,𝜷) 表示两个角度参数向量的合并, 𝜂 是学习率,那么参数更新公式为:

𝜽(𝑡+1)=𝜽(𝑡)−𝜂⋅𝜕⟨𝓗︀𝒞︀⟩(𝜽(𝑡))𝜕𝜽(𝑡).

这一更新公式虽然与常见的并无二致,但在应用之前还需要讨论一些问题。第一个问题:对于变分量子线路,它的梯度绝非似经典机器学习那般,可以借助计算图、应用链式法则、实现反向传播从而轻易算出,因为这要求记录每个输出节点的数据,而在量子线路中这却是引入了测量、破坏了中间量子态。一种理论上常用的的梯度计算方式是参数移位法(Parameter-Shift Rule),该法指出 [5], [6]:

𝜕⟨𝓗︀𝒞︀⟩(𝜽)𝜕𝜃𝑘=12[⟨𝓗︀𝒞︀⟩(𝜃𝑘+𝜋2)−⟨𝓗︀𝒞︀⟩(𝜃𝑘−𝜋2)],𝑘=1,2,…,2𝑝.

这里 ⟨𝓗︀𝒞︀⟩(𝜃𝑘−𝜋2) 是 ⟨𝓗︀𝒞︀⟩(𝜃1,…,𝜃𝑘−𝜋2,…,𝜃2𝑝) 的简写,表示在参数向量 𝜽 只有第 𝑘 参数 𝜃𝑘 被减去 𝜋2 。但在实践上,使用该法计算梯度的QAOA算法每一次完整的参数更新迭代需要运行线路并测量 4𝑝 次(因为 2𝑝 个参数每一者均需采样两次),无疑降低了训练效率;同时,即便式(26) 计算出的梯度理论上是精确的,真实量子硬件的噪声也使之变得不精确。因此同时扰动随机逼近算法(Simultaneous Perturbation Stochastic Approximation,SPSA)等更采样次数更少且不追求精确的算法反而更常用于真实硬件 [7]。

第二个问题:参数是否应当被截断在某一范围内?回答是肯定的,因为能量景观使用“角度”参数,它自然会隐含一个周期。在训练时将参数限制在一个周期内有助于训练的收敛。在说明周期性之前,首先介绍一个有关缩放的定理。

定理 4.(伊辛哈密顿量的缩放)
设缩放参数 𝑘>0 。若自旋构型 𝑠∗ 是被缩放后的伊辛哈密顿量 ℋ︀(𝑠)𝑘 的最优解,那么 𝑠∗ 同样是原始伊辛哈密顿量 ℋ︀(𝑠) 的最优解。

证明.

ℋ︀(𝑠)𝑘≤ℋ︀(𝑠∗)𝑘⟺ℋ︀(𝑠)≤ℋ︀(𝑠∗).
□

接下来的定理描述了:能量景观关于 𝜷 参数具有普适的周期性。

定理 5.(QAOA算法的能量景观中 𝜷 参数的周期性)

在忽略产生的全局相位的情况下,QAOA算法的能量景观的参数 𝜷 具有周期 𝜋 ,即:

⟨𝓗︀𝒞︀⟩(𝜸,𝛽1,…,𝛽𝑖+𝜋,…,𝛽𝑝)=⟨𝓗︀𝒞︀⟩(𝜸,𝜷),𝑖=1,2,…,𝑝
证明. 注意到由式(16) 代入混合哈密顿量推导出的图 2 中 RX 门的角度参数均为 2𝛽 ,因此 𝜋 是能量景观关于 𝜷 参数的最小正周期。
□

在训练时可以将 𝜷 的取值范围限制在 [−𝜋2,𝜋2] 。

最后这个定理描述了:在一般情况下,对能量景观的 𝜸 参数,不具有普适的周期性。

定理 6.(QAOA算法的能量景观中 𝜸 参数的周期性)

在忽略产生的全局相位的情况下,形如式(9) 的伊辛哈密顿量中:

  1. 若存在某个系数 ℎ𝛿 是无理数,那么能量景观关于 𝜸 参数不具有周期性,但具
    有准周期性;
  2. 若所有系数均为有理数,那么 𝛾 参数具有最小公共正周期 𝑇=𝜋𝑔 ,其中 𝑔=gcd(ℎ𝛿)=gcd(ℎ0,…,ℎ2𝑛−1) 是所有系数的最大公约数。

证明. 存在无理数系数的情况下:待证。

所有系数均为有理数的情况下:由定理 3和推论 1, 考虑相关系数后即按照式(19), RZ 门的角度参数是 2ℎ𝛿𝛾 。故对单个 𝛾 ,其周期是 𝜋ℎ𝛿 。那么对于所有 𝛾 、即 𝜸 具有最小公共正周期 lcm(𝜋ℎ𝛿)=𝜋gcd(ℎ𝛿) 。

□

但应当注意到,在许多实际问题中,无理数系数是较难取到的。并且,即便确实有无理数系数,一方面也可以通过近似的手段化为有理数;另一方面使用计算机处理问题时也仅能存储为近似的浮点数,因此在实际应用时认为能量景观关于 𝜸 参数具有普适周期性并非不可接受的。

第三个问题:该参数空间能否进一步缩小,即能否为能量景观函数找到更小的周期、或者寻到一些特殊的对称性?回答也是肯定的。首先,利用 定理 4,总能找到合适的缩放参数 𝑘 ,使定理 定理 6 中的最小正周期约束化为 𝜋 ,从而使 𝜸 的取值范围限定在 [−𝜋2,𝜋2] 中。接下来,定理 定理 7 给出了一种普遍的对称性。

定理 7.(QAOA算法的能量景观的对称性 [8])

QAOA算法的能量景观是关于原点对称的,即:

⟨𝓗︀𝒞︀⟩(−𝜸,𝜷)=⟨𝓗︀𝒞︀⟩(𝜸,−𝜷)
⟨𝓗︀𝒞︀⟩(−𝜸,−𝜷)=⟨𝓗︀𝒞︀⟩(𝜸,𝜷)

证明. 以证明式(30) 为例。首先易证,对任意实向量 |𝑣⟩ 有 |𝑣⟩∗=|𝑣⟩ ,于是:

⟨𝑣|𝑼|𝑣⟩∗=(|𝑣⟩)∗(𝑼)∗(|𝑣⟩)∗=⟨𝑣|𝑼∗|𝑣⟩

其次易证对任意一层酉算子存在:

𝐿𝑖∗(−𝛾𝑖,−𝛽𝑖)=(𝑈(𝓗︀𝐵,−𝛽𝑖)𝑈(𝓗︀𝒞︀,−𝛾𝑖))∗=(e−i(−𝛽𝑖)𝓗︀𝐵e−i(−𝛾𝑖)𝓗︀𝒞︀)∗=e−i𝛽𝑖𝓗︀𝐵e−i𝛾𝑖𝓗︀𝒞︀=𝐿𝑖(𝛾𝑖,𝛽𝑖),

于是对于所有层酉算子存在:

𝐿∗(−𝜸,−𝜷)=∏𝑖𝐿𝑖∗(−𝛾𝑖,−𝛽𝑖)=∏𝑖𝐿𝑖(𝛾𝑖,𝛽𝑖)=𝐿(𝜸,𝜷).

所以:

⟨𝓗︀𝒞︀⟩(−𝜸,−𝜷)=⟨−𝜸,−𝜷|𝓗︀𝒞︀|−𝜸,−𝜷⟩=⟨𝑠|𝐿†(−𝜸,−𝜷)𝓗︀𝒞︀𝐿(−𝜸,−𝜷)|𝑠⟩=⟨𝑠|𝐿†(−𝜸,−𝜷)𝓗︀𝒞︀𝐿(−𝜸,−𝜷)|𝑠⟩∗=⟨𝑠|(𝐿†(−𝜸,−𝜷))∗𝓗︀𝒞︀∗𝐿∗(−𝜸,−𝜷)|𝑠⟩=⟨𝑠|𝐿†(𝜸,𝜷)𝓗︀𝒞︀𝐿(𝜸,𝜷)|𝑠⟩=⟨𝜸,𝜷|𝓗︀𝒞︀|𝜸,𝜷⟩=⟨𝓗︀𝒞︀⟩(𝜸,𝜷).

其中式(34) 第二行到式(34) 第三行是因为能量期望值 ⟨𝓗︀𝒞︀⟩(−𝜸,−𝜷) 是实数的。式(29) 的证明类似。

□

由于式(29) (30) 所示的对称性, 𝜸,𝜷 中任取一者的取值范围都能进一步缩减到非负区间,例如 [0,𝜋2]𝑝×[−𝜋2,𝜋2]𝑝 。可惜的是,在一般情况下该参数空间不能再缩小了,但在特殊情形下能量景观函数可以有比 𝜋 更小的周期——意味着更小的参数空间。

定理 8.(QUBO问题特殊情形下对应QAOA算法的能量景观的周期性 [8])

若忽略全局相位,问题哈密顿量 𝓗︀𝒞︀ 是从QUBO问题导出的、且不包含一次项,即仅包含二次项,那么对应的能量景观函数中,参数 𝜷 的周期是 𝜋2 ,即:

⟨𝓗︀𝒞︀⟩(𝜸,𝛽1,…,𝛽𝑖+𝜋2,…,𝛽𝑝)=⟨𝓗︀𝒞︀⟩(𝜸,𝜷),𝑖=1,2,…,𝑝

证明. 注意到对任一层酉算子有:

𝐿𝑖(𝛾𝑖,𝛽𝑖+𝜋2)=e−i(𝛽𝑖+𝜋2)𝓗︀𝐵e−i𝛾𝑖𝓗︀𝒞︀=e−i𝜋2𝓗︀𝐵e−i𝛽𝑖𝓗︀𝐵e−i𝛾𝑖𝓗︀𝒞︀=e−i𝜋2𝓗︀𝐵𝐿𝑖(𝛾𝑖,𝛽𝑖).

其中:

e−i𝜋2𝓗︀𝐵=e−i𝜋2∑𝑖=1𝑛𝑿𝑖=∏𝑖=1𝑛e−i𝜋2𝑿𝑖=∏𝑖=1𝑛(−i𝑿𝑖)=(−i)𝑛∏𝑖=1𝑛𝑿𝑖.

其中 (−i)𝑛 可以作为全局相位被忽略掉。利用性质 [𝐴,𝐵]=0⟹[𝐴,𝑓(𝐵)]=0 ,显然 [𝑿𝑖⊗𝑿𝑗,𝒁𝑖⊗𝒁𝑗]=0⟹[𝑿𝑖⊗𝑿𝑗,exp{𝒁𝑖⊗𝒁𝑗}]=0 。更进一步地,得到:

[∏𝑖=1𝑛𝑿𝑖,∏𝑖<𝑗=1𝑛exp{−i(ℎ𝛿𝛾)𝒁𝑖𝒁𝑗}]=0.

在问题哈密顿量中只含有二次项的情况下,上式说明 ∏𝑖=1𝑛𝑿𝑖 与问题酉算子 𝑈(𝓗︀𝒞︀,𝛾𝑖) 是对易的。利用对易的性质显然也容易推知 ∏𝑖=1𝑛𝑿𝑖 与混合酉算子 𝑈(𝓗︀𝐵,𝛽𝑖) 亦是对易的,从而 ∏𝑖=1𝑛𝑿𝑖 与任一层酉算子 𝐿𝑖(𝛾𝑖,𝛽𝑖+𝜋2) 是对易的。故 ∏𝑖=1𝑛𝑿𝑖 可以被交换到下式的任意位置中:

|𝜸,𝛽1,…,𝛽𝑖+𝜋2,…,𝛽𝑝⟩=𝐿𝑝(𝛾𝑝,𝛽𝑝)…𝐿𝑖(𝛾𝑖,𝛽𝑖+𝜋2)…𝐿1(𝛾1,𝛽1)|𝑠⟩=𝐿𝑝(𝛾𝑝,𝛽𝑝)…(∏𝑖=1𝑛𝑿𝑖)𝐿𝑖(𝛾𝑖,𝛽𝑖)…𝐿1(𝛾1,𝛽1)|𝑠⟩=𝐿𝑝(𝛾𝑝,𝛽𝑝)…𝐿𝑖(𝛾𝑖,𝛽𝑖)…𝐿1(𝛾1,𝛽1)(∏𝑖=1𝑛𝑿𝑖)|𝑠⟩=𝐿𝑝(𝛾𝑝,𝛽𝑝)…𝐿𝑖(𝛾𝑖,𝛽𝑖)…𝐿1(𝛾1,𝛽1)|𝑠⟩=|𝜸,𝜷⟩.

其中式(39) 第四行到式(39) 第五行是因为初态 |𝑠⟩ 就是 ∏𝑖=1𝑛𝑿𝑖 的特征向量。因此,在忽略全局相位的情况下能量景观也是不变的。

□

进一步地,将定理定理 8 推广至PUBO问题得到以下推论。

推论 2.(特殊情形下QAOA算法的能量景观的周期性 [8])

若忽略全局相位,问题哈密顿量 𝓗︀𝒞︀ 中仅包含偶数次项,那么对应的能量景观函数中,参数 𝜷 的周期是 𝜋2 ,即:

⟨𝓗︀𝒞︀⟩(𝜸,𝛽1,…,𝛽𝑖+𝜋2,…,𝛽𝑝)=⟨𝓗︀𝒞︀⟩(𝜸,𝜷),𝑖=1,2,…,𝑝
证明. 该推论为读者留作习题。
□

在这种特殊情况下,利用 𝜷 参数的周期性,可以进一步将参数空间缩小到 [0,𝜋2]𝑝×[0,𝜋2]𝑝 。


五、QAOA 背后的图景

量子绝热算法利用量子绝热定理,通过设计一条演化路径,将易于制备基态的初始哈密顿量连续演化为问题哈密顿量。若演化足够缓慢且满足绝热条件,系统最终将处于问题哈密顿量的基态,此时对该态进行测量即可得到优化问题的解。QAOA 则借鉴量子绝热算法的思想,使用参数化量子电路分段近似模拟这一绝热演化过程。那么,QAOA 算法究竟是如何推演得到的呢?下面阐述这个问题。

假设总演化时间为T,选定的初始哈密顿量为H0,那么系统随时间演化到问题哈密顿量HC 的一种路径如下所示:

𝓗︀(𝑡)=(1−𝑡𝑇)𝓗︀0+𝑡𝑇𝓗︀𝒞︀.

若初始哈密顿量的基态是 |𝑠⟩ ,定义时间演化算子 𝑼(𝑡) ,则系统绝热演化到某时间t 时哈密顿量的基态是 𝜓(𝑡)=𝑼(𝑡)|𝑠⟩ 。解含时薛定谔方程:

dd𝑡𝜓(𝑡)=−i𝓗︀(𝑡)𝜓(𝑡)⟺dd𝑡𝑼(𝑡)=−i𝓗︀(𝑡)𝑼(𝑡),

得到:

𝑼(𝑡)=𝒯︀exp{−i∫0𝑇𝓗︀(𝜏)d𝜏}=lim𝑝→∞e−i𝓗︀(𝑡𝑝)Δ𝑡⋅e−i𝓗︀(𝑡𝑝−1)Δ𝑡⋅…⋅e−i𝓗︀(𝑡1)Δ𝑡e−i𝓗︀(𝑡0)Δ𝑡.

其中 Δ𝑡=𝑇𝑝 , 𝑡𝑘=𝑘Δ𝑡 ; 𝒯︀ 是时序算子,作用在于保证式(43) 中第二式中严格按时间顺序相乘。该式的导出不在此处给出,可以参考文献[8]。

那么,将式(43) 离散化得到近似,并代入式(41) 的线性演化路径,得到:

𝑼(𝑡)≈𝒯︀∏𝑘=1𝑝exp{−i[(1−𝑡𝑘𝑇)𝓗︀0+𝑡𝑘𝑇𝓗︀𝒞︀]Δ𝑡},

再利用一阶 Lie-Trotter 近似,进一步得到:

𝑼(𝑡)≈𝒯︀∏𝑘=1𝑝exp{−i(1−𝑡𝑘𝑇)Δ𝑡𝓗︀0}⋅exp{−i𝑡𝑘𝑇Δ𝑡𝓗︀𝒞︀}.

到这里相信读者能够看出,上式形式上已经基本对应到 QAOA 的整体分层形式即式(14) 了。不妨直接记 𝐿𝑘=exp{−i(1−𝑡𝑘𝑇)Δ𝑡𝓗︀0}⋅exp{−i𝑡𝑘𝑇Δ𝑡𝓗︀𝒞︀} ,再同时令 𝛽𝑘=(1−𝑡𝑘𝑇)Δ𝑡 、 𝛾𝑘=𝑡𝑘𝑇Δ𝑡 ,则 𝑼(𝑇)≈∏𝑘=1𝑝𝐿𝑘(𝛾𝑘,𝛽𝑘) ,便得到前述的QAOA 构造了。

读者大概会疑惑于:既然按照如上的推导,角度参数 𝛾,𝛽 应当已经是唯一指定的了,又为何在 QAOA 中需要一个经典参数的训练步骤呢?首先,显然地,依据式(43),当 QAOA 的层数 𝑝≠1 时,电路运行结果就是理想情况下量子退火得到的最优解。但是,当 𝑝 是有限值时,便可以视作后续所有层酉算子都是 𝑰 ,对应能量景观函数值必然大于等于最优解对应的能量。这就会引入误差,影响收敛性,所以使用上述指定值时基本得不到足够好的结果,故而重新训练这些角度参数反而是更好的选择。


六、PUBO 电路构造中的构建块与合并

定义 1.(𝑛 次 单项式 𝑇(𝑛))

𝑇(𝑛) 表示 𝑛 次单项式。若参与该项的变量编号为 𝑖1<𝑖2<…<𝑖𝑛 ,则:

𝑇(𝑛)=𝑥𝑖1𝑥𝑖2…𝑥𝑖𝑛.
定义 2.(𝑛 重 Pauli-𝑍 张量积 𝑍(𝑛))

𝑍(𝑛) 表示 𝑛 重 Pauli-𝑍 张量积。若参与该项的量子比特编号为 𝑖1<𝑖2<…<𝑖𝑛 ,则:

𝑍(𝑛)=⨂𝑟=1𝑛𝒁𝑖𝑟.

在“三、分段近似模拟绝热演化” 已经说明,QAOA 中真正随具体优化问题改变的是问题酉算子 𝑈(𝓗︀𝒞︀,𝛾) 。若问题是 PUBO 形式,那么高阶单项式会在问题哈密顿量中产生多重 𝑍 张量积。因此,直接把 PUBO 问题送入 QAOA 的核心问题可以重新表述为:如何从标量形式中的 𝑇(𝑛) 出发,得到若干个带系数的 𝑍(𝑛) 算子,并将这些 𝑍(𝑛) 算子系统地翻译为量子线路。

直觉上,最直接的方法是“按 𝑇(𝑛) 构造”:对 PUBO 标量哈密顿量中的每个单项式分别展开,并为其产生的每个 𝑍(𝑘) 项添加对应的电路构建块。不过,这种方法会在不同单项式之间反复生成相同的构建块。例如 𝑥1𝑥2𝑥3 和 𝑥1𝑥2𝑥4 在展开后都会产生作用于同一组量子比特的 𝑍(1) 、 𝑍(2) 以及 𝑍(1)𝑍(2) 项,这可以参考图 6;如果逐个 𝑇(𝑛) 直接生成线路,这些相同结构的构建块就会重复出现,只是 𝑅𝑍 门的角度不同,造成大量冗余。正因为如此,实际构造时更应当先把所有 𝑇(𝑛) 展开到 𝑍(𝑛) 的线性组合中,再合并相同的 𝑍(𝑛) 项,最后按 𝑍(𝑛) 构造电路。

图 5 𝑇(2)对应的量子电路

图 6 𝑇(3)对应的量子电路

由推论 1和图 4或者图 7 可知,若 𝑍(𝑘) 前带有系数 𝛼 ,那么其对应的电路基本构建块(Building Block)为:

𝑈(𝛼𝑍(𝑛),𝛾)=e−i𝛼𝛾𝑍(𝑛)=(∏𝑘=1𝑛−1CNOT𝑖𝑛𝑖𝑘)⋅𝑅𝑍𝑖𝑛(2𝛼𝛾)⋅(∏𝑘=1𝑛−1CNOT𝑖𝑛𝑖𝑛−𝑘).
图 7 𝑍(𝑘)对应的基本构建块

也就是说,先按 𝑖1,…,𝑖𝑛−1 的顺序把这些量子比特作为控制位、 𝑖𝑛 作为目标位作用 CNOT 门;再在 𝑖𝑛 上作用 𝑅𝑍(2𝛼𝛾) ;最后按反向顺序再次应用这些 CNOT 门。这种结构就是 PUBO 线路构造中最基本的构建块。

定义 3.(子序列)
对序列 𝑆=(𝑠1,𝑠2,…,𝑠𝑛) ,若 𝑆′=(𝑠𝑖1,𝑠𝑖2,…,𝑠𝑖𝑘) 满足 1≤𝑖1<𝑖2<…<𝑖𝑘≤𝑛 ,则称 𝑆′ 是 𝑆 的一个子序列。它可以通过删除 𝑆 中的一些元素得到,同时保持剩余元素的相对顺序不变。

现在先说明“按 𝑇(𝑛) 构造”会发生什么。考虑一个 𝑛 次 PUBO 单项式:

𝑇𝑙(𝑛)=𝑥𝑖1𝑥𝑖2…𝑥𝑖𝑛.

由于每个二进制变量满足 𝑥=1−𝑠2 ,而量子哈密顿量中 𝑠𝑖 对应 𝒁𝑖 ,所以该单项式会被展开为:

𝛼𝑙𝑇𝑙(𝑛)⟶𝛼𝑙2𝑛∏𝑟=1𝑛(𝑰−𝒁𝑖𝑟).

展开后,除了常数项以外,每一个非空子序列 (𝑖𝑗1,…,𝑖𝑗𝑘) 都对应一个 𝑘 重 𝑍 算子:

⨂𝑚=1𝑘𝒁𝑖𝑗𝑚.

因此,从一个 𝑛 次单项式出发,会产生所有非空子序列对应的构建块。子序列中的编号说明相应的 𝑍(𝑘) 算子具体作用在哪些量子比特上。

由此可以得到一种直接但朴素的构造方式:逐项遍历代价函数中的每个 𝛼𝑙𝑇𝑙(𝑛) ,并对它展开出的每个非空子序列添加相应的构建块。对 𝑇𝑙(𝑛) 而言,若选取其中 𝑘 个变量形成 𝑍(𝑘) ,则对应 𝑅𝑍 门角度中的系数符号为 (−1)𝑘 ,系数量级为 𝛼𝑙2𝑛 ;换言之,其构建块中的 𝑅𝑍 参数可写成:

2⋅((−1)𝑘𝛼𝑙2𝑛)𝛾=(−1)𝑘𝛼𝑙𝛾2𝑛−1.

这种方法的优点是直观:从 PUBO 的标量形式出发,不需要先整理整个矩阵形式的哈密顿量。但它的问题也正发生在这里:每一个 𝑇(𝑛) 都会展开出 2𝑛−1 个非空子序列,而不同的 𝑇(𝑛) 往往共享变量,因此它们展开出的许多 𝑍(𝑘) 会作用在完全相同的一组量子比特上。如果逐项添加线路,就会反复加入结构相同、只差角度的构建块。

更好的方法是先在哈密顿量层面做合并、再生成线路,也就是“按 𝑍(𝑛) 构造”。由于所有 𝑍(𝑘) 算子都是对角矩阵,所以它们两两对易,意味着每个构建块都可以在量子电路上随意摆放;而相同目标量子比特集合的构建块只是在同一个相位旋转角上累加。例如两个不同的三重 𝑍 算子的构建块可以合并成一个构建块:

𝑅𝑍𝑍𝑖,𝑗,𝑘(𝛾1)⋅𝑅𝑍𝑍𝑖,𝑗,𝑘(𝛾2)=𝑅𝑍𝑍𝑖,𝑗,𝑘(𝛾1+𝛾2).

其中 𝑅𝑍𝑍𝑖,𝑗,𝑘(𝛾) 表示:

CNOT𝑘𝑖⋅CNOT𝑘𝑗⋅𝑅𝑍𝑘(𝛾)⋅CNOT𝑘𝑗⋅CNOT𝑘𝑖.

式(53) 的直观含义是:相连且相反的CNOT链会相互抵消,之后两个 𝑅𝑍 旋转可以合并成一个角度为 𝛾1+𝛾2 的 𝑅𝑍 旋转。一般的 𝑍(𝑘) 构建块也具有同样的合并规则。

因此,基于 𝑍(𝑛) 的线路生成可以按如下步骤完成[9]。它和按 𝑇(𝑛) 构造的区别在于:前两步只在哈密顿量表达式中收集和合并项,还不立即生成电路;只有合并完成后,才为每个剩余的 𝑍(𝑘) 项生成一次构建块。

  1. 将 PUBO 标量哈密顿量逐项展开为 𝑍(𝑘) 算子的线性组合。对 𝑇𝑙(𝑛)=𝑥𝑖1…𝑥𝑖𝑛 ,遍历序列 (𝑖1,…,𝑖𝑛) 的所有非空子序列,并记录每个子序列对应的系数。
  2. 将作用在同一组量子比特上的 𝑍(𝑘) 项合并:若两个子序列完全相同,则把它们的系数相加。
  3. 遍历合并后的 𝑍(𝑘) 项,并对每一项使用式(48) 生成一个构建块。遍历顺序不影响结果,因为这些 𝑍(𝑘) 项彼此对易。
定理 9.( 𝑍(𝑘) 构建块的门数)
一个 𝑘 重 𝑍 算子的构建块需要 1 个 𝑅𝑍 门和 2(𝑘−1) 个 CNOT 门。
证明. 由式(48) 或图 7 立即可知。
□
定理 10.( 𝑇(𝑛) 所需构建块数量)
一个 𝑛 次单项式 𝑇(𝑛) 会产生 2𝑛−1 个构建块。其中, 𝑍(𝑘) 类型的构建块数量为 (𝑛𝑘) 。
证明. 𝑇(𝑛) 的展开需要遍历 𝑛 个变量指标构成的序列的所有非空子序列。非空子序列的数量等于 𝑛 元集合的非空子集数量,即 2𝑛−1 。其中长度为 𝑘 的子序列数量就是从 𝑛 个指标中选出 𝑘 个指标的方式数,因此为 (𝑛𝑘) 。
□
推论 3.(无合并情况下 𝑇(𝑛) 对应量子电路的门数量)

若不对不同构建块进行合并,那么一个 𝑛 次单项式 𝑇(𝑛) 需要 2𝑛−1 个 𝑅𝑍 门,以及:

∑𝑘=1𝑛2(𝑘−1)(𝑛𝑘)=𝑛2𝑛−2(2𝑛−1)=(𝑛−2)2𝑛+2
个 CNOT 门。

由此可见,若机械地从每个 𝑇(𝑛) 单项式生成线路, 𝑅𝑍 门数量按 𝑂(2𝑛) 增长,而 CNOT 门数量按 𝑂(𝑛2𝑛) 增长。更重要的是,这个估计还没有计入不同 𝑇(𝑛) 之间的重复构建块:如果多个高阶单项式共享变量,按 𝑇(𝑛) 构造会把同一组量子比特上的 𝑍(𝑘) 构建块反复生成。对 NISQ 设备而言, CNOT 门通常更昂贵也更容易引入噪声,因此合并构建块是直接处理 PUBO 问题时必须重视的预处理步骤。先合并相同量子比特集合上的 𝑍(𝑘) 项,再按 𝑍(𝑛) 生成电路,往往能显著减少冗余的 CNOT 门。但必须承认:该合并不会改变门数量的渐近复杂度,仍然是指数级增长。

Bibliography

  • [1] E. Ising, “Beitrag zur Theorie des Ferromagnetismus,” Zeitschrift für Physik, vol. 31, no. 1, pp. 253–258, Feb. 1925, doi: 10.1007/BF02980577.
  • [2] E. Farhi, J. Goldstone, and S. Gutmann, “A Quantum Approximate Optimization Algorithm.” [Online]. Available: https://arxiv.org/abs/1411.4028
  • [3] N. Dattani, “Quadratization in discrete optimization and quantum mechanics.” [Online]. Available: https://arxiv.org/abs/1901.04405
  • [4] C. Grange, M. Poss, and E. Bourreau, “An introduction to variational quantum algorithms for combinatorial optimization problems,” 4OR, vol. 21, no. 3, pp. 363–403, Jul. 2023, doi: 10.1007/s10288-023-00549-1.
  • [5] K. Mitarai, M. Negoro, M. Kitagawa, and K. Fujii, “Quantum circuit learning,” Physical Review A, vol. 98, no. 3, 2018, doi: 10.1103/physreva.98.032309.
  • [6] D. Wierichs, J. Izaac, C. Wang, and C. Y.-Y. Lin, “General parameter-shift rules for quantum gradients,” Quantum, vol. 6, p. 677, Mar. 2022, doi: 10.22331/q-2022-03-30-677.
  • [7] A. Kandala et al., “Hardware-efficient variational quantum eigensolver for small molecules and quantum magnets,” Nature, vol. 549, no. 7671, pp. 242–246, 2017, doi: 10.1038/nature23879.
  • [8] A. Giovagnoli, “An Introduction to the Quantum Approximate Optimization Algorithm.” [Online]. Available: https://arxiv.org/abs/2511.18377
  • [9] J. Wang, “Direct Application of QAOA Algorithm to PUBO Problem,” in 2025 4th Asia Conference on Algorithms, Computing and Machine Learning (CACML), 2025, pp. 1–8. doi: 10.1109/CACML64929.2025.11010958.