Variational Quantum Algorithms are a vital part of quantum computing. It is a blend of quantum and classical methods for tackling tough problems in machine learning, chemistry, and combinatorial optimization. Yet as these algorithms scale up, they cannot escape the barren-plateau phenomenon. As systems grow, gradients can vanish so quickly that training deep or randomly initialized circuits becomes nearly impossible. To overcome the barren plateau problem, we introduce a two-stage optimization framework. First comes the convex initialization stage. Here, we shape the quantum energy landscape, the Hilmaton landscape, into a smooth, low-energy basin. This step makes gradients easier to spot and keeps noise from derailing the process. Once we have gotten a stable gradient flow, we move to the second stage: nonconvex refinement. In this phase, we allow the algorithm to explore different energy minima, thereby making the model more expressive. Finally, we used our two-stage solution to perform quantum cryptanalysis of the quantum key distribution protocol (i.e., BB84) to determine the optimal cloning strategies. The simulation results showed that our proposed two-stage solution outperforms its random initialization counterpart.


翻译:变分量子算法是量子计算的重要组成部分。它融合了量子与经典方法,用于解决机器学习、化学和组合优化中的难题。然而随着算法规模扩大,它们无法避免贫瘠高原现象。当系统扩展时,梯度可能以极快速度消失,导致深度或随机初始化电路的训练几乎无法进行。为克服贫瘠高原问题,我们提出了一种两阶段优化框架。首先是凸初始化阶段:通过将量子能量景观(希尔伯特景观)塑造成平滑的低能盆地,使梯度更易于识别,并防止噪声干扰过程。获得稳定的梯度流后,进入第二阶段:非凸优化。在此阶段,算法可探索不同的能量极小值,从而增强模型表达能力。最后,我们运用该两阶段方案对量子密钥分发协议(即BB84)进行量子密码分析,以确定最优克隆策略。仿真结果表明,所提出的两阶段方案显著优于随机初始化方法。

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