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Fast gradient-free optimization of excitations in variational quantum eigensolvers

Jäger, Jonas und Kaldenbach, Thierry und Haas, Max und Schultheis, Erik (2025) Fast gradient-free optimization of excitations in variational quantum eigensolvers. Communications Physics, 8 (418). Springer Nature. doi: 10.1038/s42005-025-02375-9. ISSN 2399-3650.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
2MB

Offizielle URL: https://www.nature.com/articles/s42005-025-02375-9

Kurzfassung

Finding molecular ground states and energies with variational quantum eigensolvers is central to chemistry applications on quantum computers. Physically motivated ansätze based on excitation operators respect physical symmetries, but existing quantum-aware optimizers, such as Rotosolve, have been limited to simpler operator types. To fill this gap, we introduce ExcitationSolve, a fast quantum-aware optimizer that is globally-informed, gradient-free, and hyperparameter-free. ExcitationSolve extends these optimizers to parameterized unitaries with generators $G$ of the form $G^3=G$ exhibited by excitation operators in approaches such as unitary coupled cluster. ExcitationSolve determines the global optimum along each variational parameter using the same quantum resources that gradient-based optimizers require for one update step. We provide optimization strategies for both fixed and adaptive variational ansätze, along with generalizations for simultaneously selecting and optimizing multiple excitations. On molecular ground state energy benchmarks, ExcitationSolve outperforms state-of-the-art optimizers by converging faster, achieving chemical accuracy for equilibrium geometries in a single parameter sweep, yielding shallower adaptive ansätze and remaining robust to real hardware noise. By uniting physical insight with efficient optimization, ExcitationSolve paves the way for scalable quantum chemistry calculations.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/218077/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Fast gradient-free optimization of excitations in variational quantum eigensolvers
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Jäger, JonasUniversity of British ColumbiaNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Kaldenbach, Thierrythierry.kaldenbach (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Haas, Maxmax.haas (at) dlr.dehttps://orcid.org/0009-0004-9414-5442198517351
Schultheis, ErikErik.Schultheis (at) dlr.dehttps://orcid.org/0009-0007-4728-7124198517352
Datum:30 Oktober 2025
Erschienen in:Communications Physics
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Ja
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:8
DOI:10.1038/s42005-025-02375-9
Verlag:Springer Nature
ISSN:2399-3650
Status:veröffentlicht
Stichwörter:gradient-free optimization, unitary coupled cluster, electronic structure, globally-informed optimization, ExcitationSolve
HGF - Forschungsbereich:keine Zuordnung
HGF - Programm:keine Zuordnung
HGF - Programmthema:keine Zuordnung
DLR - Schwerpunkt:Quantencomputing-Initiative
DLR - Forschungsgebiet:QC AW - Anwendungen
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):QC - QuantiCoM
Standort: Köln-Porz
Institute & Einrichtungen:Institut für Werkstoff-Forschung > Metallische und hybride Werkstoffe
Hinterlegt von: Kaldenbach, Thierry
Hinterlegt am:02 Dez 2025 10:57
Letzte Änderung:02 Dez 2025 10:57

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