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Barren Plateaus and Trainability of Hybrid Quantum-Classical Algorithms

Celepci-Uludag, Dilara (2025) Barren Plateaus and Trainability of Hybrid Quantum-Classical Algorithms. Masterarbeit, FernUniversität in Hagen.

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Kurzfassung

Realizing successful quantum algorithms on current generation of quantum hardware depends on developing appropriate parametrized quantum circuits, which are the quantum computing counterpart to classical neural networks. A key consideration in this context is the algorithm’s trainability that can be hindered by the existence of so-called barren plateaus. In this case, the algorithm suffers from exponentially vanishing gradients as the number of qubits increases, resulting in a flat optimization landscape and making an efficient training intractable. Due to its serious impact on the success of such algorithms, this problem has gained substantial attention in recent years of quantum computing research. Theoretical and heuristic approaches have been proposed to investigate, avoid and mitigate this issue. In this work, we explore this phenomenon in detail and study the underlying mathematical concepts in depth, investigating the factors that influence the structure of the optimization landscape. Using corresponding mathematical tools, we diagnose whether a given variational circuit will exhibit barren plateaus when going beyond tens of qubits. Additionally, a review of mitigation strategies will be provided. The theory will then be applied to a use case that involves image classification to evaluate whether the model is affected by this phenomenon and which hyperparameters improve or degrade the overall performance.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/214598/
Dokumentart:Hochschulschrift (Masterarbeit)
Titel:Barren Plateaus and Trainability of Hybrid Quantum-Classical Algorithms
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Celepci-Uludag, DilaraFernUniversität in HagenNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
DLR-Supervisor:
BeitragsartDLR-SupervisorInstitution oder E-Mail-AdresseDLR-Supervisor-ORCID-iD
Thesis advisorZajac, Markusmarkus.zajac (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-9338-9259
Datum:2025
Open Access:Nein
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Variational circuits, Barren plateaus
Institution:FernUniversität in Hagen
Abteilung:Datenbanken und Informationssysteme
HGF - Forschungsbereich:Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr
HGF - Programm:Raumfahrt
HGF - Programmthema:Technik für Raumfahrtsysteme
DLR - Schwerpunkt:Raumfahrt
DLR - Forschungsgebiet:R SY - Technik für Raumfahrtsysteme
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):R - Quantencomputing
Standort: Köln-Porz
Institute & Einrichtungen:Institut für Softwaretechnologie > Intelligente und verteilte Systeme
Institut für Softwaretechnologie
Hinterlegt von: Zajac, Markus
Hinterlegt am:30 Jun 2025 09:15
Letzte Änderung:30 Jun 2025 09:15

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