Exploiting Symmetry Reduces the Cost of Training QAOA

齐次空间 计算机科学 水准点(测量) 解算器 最大切割量 理论计算机科学 图形 数学 数学优化 几何学 大地测量学 地理
作者
Ruslan Shaydulin,Stefan M. Wild
出处
期刊:IEEE transactions on quantum engineering [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:2: 1-9 被引量:21
标识
DOI:10.1109/tqe.2021.3066275
摘要

A promising approach to the practical application of the quantum approximate optimization algorithm (QAOA) is finding QAOA parameters classically in simulation and sampling the solutions from QAOA with optimized parameters on a quantum computer. Doing so requires repeated evaluations of QAOA energy in simulation. In this article, we propose a novel approach for accelerating the evaluation of QAOA energy by leveraging the symmetry of the problem. We show a connection between classical symmetries of the objective function and the symmetries of the terms of the cost Hamiltonian with respect to the QAOA energy. We show how by considering only the terms that are not connected by symmetry, we can significantly reduce the cost of evaluating the QAOA energy. Our approach is general and applies to any known subgroup of symmetries and is not limited to graph problems. Our results are directly applicable to nonlocal QAOA generalization recursive QAOA. We outline how available fast graph automorphism solvers can be leveraged for computing the symmetries of the problem in practice. We implement the proposed approach on the MaxCut problem using a state-of-the-art tensor network simulator and a graph automorphism solver on a benchmark of 48 graphs with up to 10 000 nodes. Our approach provides an improvement for $p=1$ on 71.7% of the graphs considered, with a median speedup of 4.06, on a benchmark, where 62.5% of the graphs are known to be hard for automorphism solvers.
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