A circuit-generated quantum subspace algorithm for the variational quantum eigensolver
Abstract: Recent research has shown that wavefunction evolution in real- and imaginary-time can generate quantum subspaces with significant utility for obtaining accurate ground state energies. Inspired by these methods, we propose combining quantum subspace techniques with the variational quantum eigensolver (VQE). In our approach, the parameterized quantum circuit is divided into a series of smaller subcircuits. The sequential application of these subcircuits to an initial state generates a set of wavefunctions that we use as a quantum subspace to obtain high-accuracy groundstate energies. We call this technique the circuit subspace variational quantum eigensolver (CSVQE) algorithm. By benchmarking CSVQE on a range of quantum chemistry problems, we show that it can achieve significant error reduction in the best case compared to conventional VQE, particularly for poorly optimized circuits, greatly improving convergence rates. Furthermore, we demonstrate that when applied to circuits trapped at a local minima, CSVQE can produce energies close to the global minimum of the energy landscape, making it a potentially powerful tool for diagnosing local minima.
- L. Bassman Oftelie, C. Powers, and W. A. De Jong, ACM Transactions on Quantum Computing 3, 1 (2022a).
- A. B. Magann, S. E. Economou, and C. Arenz, Phys. Rev. Res. 5, 033227 (2023).
- P. Huembeli and A. Dauphin, Quantum Sci. Technol. 6, 025011 (2021).
- A. W. Harrow and J. C. Napp, Phys. Rev. Lett. 126, 140502 (2021).
- J. M. Martyn, K. Najafi, and D. Luo, Phys. Rev. Lett. 131, 081601 (2023).
- D. Chamaki, M. Metcalf, and W. A. de Jong, Compact molecular simulation on quantum computers via combinatorial mapping and variational state preparation (2022a), arXiv:2205.11742 [quant-ph] .
- M. Smelyanskiy, N. P. D. Sawaya, and A. Aspuru-Guzik, qhipster: The quantum high performance software testing environment (2016), arXiv:1601.07195 [quant-ph] .
- L. Lin and Y. Tong, Quantum 4, 372 (2020).
- J. F. Unmuth-Yockey, Phys. Rev. D 105, 034515 (2022).
- K. Sherbert, F. Cerasoli, and M. Buongiorno Nardelli, RSC Adv. 11, 39438 (2021).
- K. Sherbert and M. B. Nardelli, Orthogonal-ansatz vqe: Locating excited states without modifying a cost-function (2022), arXiv:2204.04361 [quant-ph] .
- E. R. Anschuetz and B. T. Kiani, Nat Commun 13, 7760 (2022a).
- W. M. Kirby and P. J. Love, Phys. Rev. Lett. 127, 110503 (2021).
- W. M. Kirby and P. J. Love, Phys. Rev. Lett. 123, 200501 (2019).
- A. Khan, B. K. Clark, and N. M. Tubman, Pre-optimizing variational quantum eigensolvers with tensor networks (2023), arXiv:2310.12965 [quant-ph] .
- J. Kim, J. Kim, and D. Rosa, Phys. Rev. Res. 3, 023203 (2021).
- A. Roy, S. Erramilli, and R. M. Konik, Efficient quantum circuits based on the quantum natural gradient (2023), arXiv:2310.10538 [quant-ph] .
- D. Wierichs, C. Gogolin, and M. Kastoryano, Phys. Rev. Res. 2, 043246 (2020).
- E. Cervero MartÃn, K. Plekhanov, and M. Lubasch, Quantum 7, 974 (2023).
- T. Hogg and D. Portnov, Information Sciences 128, 181 (2000).
- E. Farhi, J. Goldstone, and S. Gutmann, A quantum approximate optimization algorithm (2014), arXiv:1411.4028 [quant-ph] .
- A. Y. Kitaev, Russ. Math. Surv. 52, 1191 (1997).
- D. S. Abrams and S. Lloyd, Phys. Rev. Lett. 79, 2586 (1997).
- D. S. Abrams and S. Lloyd, Phys. Rev. Lett. 83, 5162 (1999).
- R. M. Parrish and P. L. McMahon, arXiv preprint arXiv:1909.08925 (2019).
- N. H. Stair, R. Huang, and F. A. Evangelista, Journal of chemical theory and computation 16, 2236 (2020).
- T. E. Baker, Phys. Rev. A 103, 032404 (2021).
- C. Mejuto-Zaera and A. F. Kemper, Electronic Structure 5, 045007 (2023).
- E. N. Epperly, L. Lin, and Y. Nakatsukasa, SIAM J. Matrix Anal. Appl. 43, 1263 (2022).
- M.-A. Filip, D. M. Ramo, and N. Fitzpatrick, Quantum 8, 1278 (2024).
- J. Chen, H.-P. Cheng, and J. K. Freericks, Journal of Chemical Theory and Computation 17, 841 (2021).
- J. W. Mullinax and N. M. Tubman, Large-scale sparse wavefunction circuit simulator for applications with the variational quantum eigensolver (2023), arXiv:2301.05726 [quant-ph] .
- Nist computational chemistry comparison and benchmark database, NIST Standard Reference Database Number 101 (2022).
- E. R. Anschuetz and B. T. Kiani, Nat Commun 13, 7760 (2022b).
- A. Apte, K. Marwaha, and A. Murugan, Non-convex optimization by hamiltonian alternation (2022), arXiv:2206.14072 [cond-mat.dis-nn] .
Paper Prompts
Sign up for free to create and run prompts on this paper using GPT-5.
Top Community Prompts
Collections
Sign up for free to add this paper to one or more collections.