최적화 루프

이 강의에서 우리는 *optimizer(최적화기)*를 사용하여 우리의 ansatz의 매개변수화된 양자 상태를 반복적으로 탐색하는 방법을 배우게 됩니다:

• 최적화 루프 구축
• 지역 최적화기와 전역 최적화기 사용 시 트레이드오프 이해
• barren plateau를 탐색하고 이를 피하는 방법

높은 수준에서, 최적화기는 우리의 탐색 공간을 탐색하는 데 중심적인 역할을 합니다. 최적화기는 비용 함수 평가를 사용하여 변분 루프에서 다음 매개변수 집합을 선택하고, 안정된 상태에 도달할 때까지 이 과정을 반복합니다. 이 단계에서 최적의 매개변수 값 $\vec\theta^*$가 반환됩니다.

지역 최적화기와 전역 최적화기

먼저 각 최적화기 클래스를 탐색하기 전에 우리의 문제를 설정하겠습니다. 8개의 변분 매개변수를 포함하는 회로로 시작할 것입니다:

# Added by doQumentation — required packages for this notebook
!pip install -q numpy qiskit scipy

from qiskit import QuantumCircuit
from qiskit.quantum_info import SparsePauliOp
from qiskit.circuit.library import TwoLocal
import numpy as np

theta_list = (2 * np.pi * np.random.rand(1, 8)).tolist()
observable = SparsePauliOp.from_list([("XX", 1), ("YY", -3)])

reference_circuit = QuantumCircuit(2)
reference_circuit.x(0)

variational_form = TwoLocal(
    2,
    rotation_blocks=["rz", "ry"],
    entanglement_blocks="cx",
    entanglement="linear",
    reps=1,
)
ansatz = reference_circuit.compose(variational_form)

ansatz.decompose().draw("mpl")

def cost_func_vqe(params, ansatz, hamiltonian, estimator):
    """Return estimate of energy from estimator

    Parameters:
        params (ndarray): Array of ansatz parameters
        ansatz (QuantumCircuit): Parameterized ansatz circuit
        hamiltonian (SparsePauliOp): Operator representation of Hamiltonian
        estimator (Estimator): Estimator primitive instance

    Returns:
        float: Energy estimate
    """
    pub = (ansatz, hamiltonian, params)
    cost = estimator.run([pub]).result()[0].data.evs
    return cost

from qiskit.primitives import StatevectorEstimator

estimator = StatevectorEstimator()

지역 최적화기

지역 최적화기는 초기 포인트 $C(\vec{\theta_0})$에서 시작하여 비용 함수를 최소화하는 포인트를 찾고, 연속적인 반복에서 현재 평가 중인 영역에서 관찰되는 것을 기반으로 다른 포인트로 이동합니다. 이는 이러한 알고리즘의 수렴이 일반적으로 빠르지만, 초기 포인트에 크게 의존할 수 있음을 의미합니다. 지역 최적화기는 평가하고 있는 영역 너머를 볼 수 없으며, 특히 지역 최솟값에 취약할 수 있으며, 하나를 찾으면 수렴을 보고하고 더 나은 평가를 가진 다른 상태를 무시합니다.

# SciPy minimizer routine
from scipy.optimize import minimize

x0 = np.ones(8)

result = minimize(
    cost_func_vqe, x0, args=(ansatz, observable, estimator), method="SLSQP"
)

result

message: Optimization terminated successfully
 success: True
  status: 0
     fun: -3.9999999964520634
       x: [ 1.000e+00  1.000e+00 -1.571e+00 -4.556e-05 -1.207e+00
           -1.935e+00  4.079e-01 -4.079e-01]
     nit: 12
     jac: [ 0.000e+00  0.000e+00 -7.957e-04  2.543e-04  1.381e-03
            1.381e-03  5.430e-04  5.431e-04]
    nfev: 112
    njev: 12

전역 최적화기

전역 최적화기는 도메인의 여러 영역에서 비용 함수를 최소화하는 포인트를 찾습니다(즉, non-local), 반복적으로(즉, 반복 $i$에서) 최적화기가 결정한 매개변수 벡터 집합 $\Theta_i := \\{ {\vec\theta_{i,j} | j \in \mathcal{J}_\text{opt}^i} \\}$ 에 대해 평가합니다. 이는 지역 최솟값에 덜 취약하고 초기화와 어느 정도 독립적이지만, 제안된 해결책으로 수렴하는 데 훨씬 더 느립니다.

최적화 부트스트래핑

Bootstrapping, 또는 이전 최적화를 기반으로 매개변수 $\vec\theta$의 초기 값을 설정하는 것은 우리의 최적화기가 더 빠르게 해결책으로 수렴하도록 도울 수 있습니다. 우리는 이를 초기 포인트 $\vec\theta_0$으로 부르며, $|\psi(\vec\theta_0)\rangle = U_V(\vec\theta_0)|\rho\rangle$을 초기 상태로 부릅니다. 이 초기 상태는 우리의 참조 상태 $|\rho\rangle$와 다릅니다. 전자는 우리의 최적화 루프 중 설정된 초기 매개변수에 초점을 맞추고, 후자는 알려진 "참조" 해결책을 사용하는 데 초점을 맞춥니다. $U_V(\vec\theta_0) \equiv I$(즉, 항등 연산)인 경우 일치할 수 있습니다.

지역 최적화기가 최적이 아닌 지역 최솟값으로 수렴할 때, 우리는 최적화를 전역적으로 부트스트래핑하고 수렴을 지역적으로 개선하려고 시도할 수 있습니다. 이는 두 개의 변분 작업을 설정해야 하지만, 최적화기가 지역 최적화기만으로 얻을 수 있는 것보다 더 최적의 해결책을 찾을 수 있게 해줍니다.

Gradient 기반 및 Gradient-Free 최적화기

Gradient 기반

우리의 비용 함수 $C(\vec\theta)$에 대해, 초기 포인트에서 함수의 기울기 $\vec{\nabla} C(\vec\theta)$에 접근할 수 있다면, 함수를 최소화하는 가장 간단한 방법은 함수의 가장 가파른 하강 방향으로 매개변수를 업데이트하는 것입니다. 즉, 우리는 매개변수를 $\vec\theta_{n+1} = \vec\theta_n - \eta \vec{\nabla} C(\vec\theta)$로 업데이트합니다. 여기서 $\eta$는 학습 속도입니다. 이는 업데이트의 크기를 제어하는 작은, 양수 hyperparameter(하이퍼파라미터)입니다. 우리는 비용 함수의 local minimum(지역 최솟값)으로 수렴할 때까지 이를 계속 수행합니다. 즉, $C({\vec\theta^*})$.

이 비용 함수와 최적화기를 사용하여 최적의 매개변수를 계산할 수 있습니다.

# SciPy minimizer routine
from scipy.optimize import minimize

x0 = np.ones(8)

result = minimize(
    cost_func_vqe, x0, args=(ansatz, observable, estimator), method="BFGS"
)

result

message: Optimization terminated successfully.
  success: True
   status: 0
      fun: -3.9999999999997025
        x: [ 1.000e+00  1.000e+00  1.571e+00  3.220e-07  2.009e-01
            -2.009e-01  6.342e-01 -6.342e-01]
      nit: 14
      jac: [-1.192e-07 -2.980e-08  8.345e-07  1.103e-06  5.960e-08
             0.000e+00 -5.960e-08  2.980e-08]
 hess_inv: [[ 1.000e+00  1.872e-10 ...  5.077e-05  3.847e-05]
            [ 1.872e-10  1.000e+00 ... -5.208e-05 -4.060e-05]
            ...
            [ 5.077e-05 -5.208e-05 ...  7.243e-01 -2.604e-01]
            [ 3.847e-05 -4.060e-05 ... -2.604e-01  8.179e-01]]
     nfev: 144
     njev: 16

이러한 유형의 최적화의 주요 단점은 매우 느릴 수 있는 수렴 속도이며, 최적의 해결책을 달성한다는 보장이 없습니다.

Gradient-Free

Gradient-free 최적화 알고리즘은 기울기 정보를 필요로 하지 않으며 기울기 계산이 어렵거나, 비싸거나, 너무 노이즈가 많은 상황에서 유용할 수 있습니다. 또한 gradient-based 방법이 지역 최솟값으로 수렴하는 경향이 있는 반면, 전역 최적값을 찾는 데 더 강건한 경향이 있습니다. 우리는 gradient-free 최적화기가 barren plateau를 피하는 데 도움이 될 수 있는 몇 가지 경우를 탐색할 것입니다. 그러나 gradient-free 방법은 특히 높은 차원의 탐색 공간을 가진 문제에 대해 더 많은 계산 리소스를 필요로 합니다.

다음은 대신 COBYLA 최적화기를 사용하는 예입니다:

# SciPy minimizer routine
from scipy.optimize import minimize

x0 = np.ones(8)

result = minimize(
    cost_func_vqe, x0, args=(ansatz, observable, estimator), method="COBYLA"
)

result

message: Optimization terminated successfully.
 success: True
  status: 1
     fun: -3.999999973369678
       x: [ 1.631e+00  1.492e+00  1.571e+00  3.142e+00  1.375e+00
           -1.767e+00  1.484e+00  1.658e+00]
    nfev: 137
   maxcv: 0.0

Barren Plateaus

실제로, 비용 풍경은 아래 예시의 언덕과 계곡에서 볼 수 있듯이 매우 복잡할 수 있습니다. 최적화 방법은 검은 점과 선으로 표시된 최솟값을 찾으면서 비용 풍경을 탐색합니다. 우리는 3개 탐색 중 2개가 전역 최솟값이 아니라 지역 최솟값으로 끝나는 것을 볼 수 있습니다.

사용되는 최적화 방법의 유형과 관계없이, 비용 풍경이 상대적으로 평탄하면, 방법이 탐색할 적절한 방향을 결정하기 어려울 수 있습니다. 이 시나리오를 barren plateau(황량한 고원)이라고 부르며, 비용 풍경은 점진적으로 더 평탄해집니다(따라서 최솟값 방향을 결정하기 더 어렵습니다). 매개변수화된 양자 회로의 넓은 범위에 대해, 모든 합리적인 방향을 따른 기울기가 특정 정밀도에 non-zero인 확률은 큐빗 수가 증가함에 따라 지수적으로 감소합니다.

이 영역은 여전히 활발한 연구 중이지만, 최적화 성능을 개선하기 위한 몇 가지 권장 사항이 있습니다:

• Bootstrapping은 최적화 루프가 기울기가 작은 매개변수 공간에 갇히는 것을 피하는 데 도움이 될 수 있습니다.
• Hardware-efficient ansatz 실험: 우리는 노이즈가 있는 양자 시스템을 블랙박스 오라클로 사용하고 있으므로, 이러한 평가의 품질이 최적화기의 성능에 영향을 미칠 수 있습니다. EfficientSU2와 같은 hardware-efficient ansatz를 사용하면 지수적으로 작은 기울기를 생성하는 것을 피할 수 있습니다.
• 오류 억제 및 오류 완화 실험: Qiskit Runtime 프리미티브(primitives)는 optimization_level과 resilience_setting의 다양한 값으로 실험할 수 있는 간단한 인터페이스를 제공합니다. 이는 노이즈의 영향을 줄이고 최적화 프로세스를 더 효율적으로 만들 수 있습니다.
• Gradient-free 최적화기 실험: Gradient-based 최적화 알고리즘과 달리, COBYLA와 같은 최적화기는 기울기 정보에 의존하지 않으며 따라서 barren plateau의 영향을 덜 받을 가능성이 높습니다.

요약

이 강의를 통해 우리는 최적화 루프를 정의하는 방법을 배웠습니다:

• 최적화 루프 부트스트래핑
• 지역 최적화기와 전역 최적화기 사용 시 트레이드오프 이해
• Barren plateau를 탐색하고 이를 피하는 방법

우리의 높은 수준의 변분 작업이 완료되었습니다:

다음으로, 우리는 이 프레임워크를 염두에 두고 구체적인 변분 알고리즘을 탐색할 것입니다.