Zum Inhalt springen
zurück

Analyzing and Overcoming Optimization Obstacles in Adaptive Variational Quantum Algorithms

HTL Bregenz

Analyzing and Overcoming Optimization Obstacles in Adaptive Variational Quantum Algorithms
Die Entwicklung neuer Medikamente oder Katalysatoren scheitert oft an der Rechenleistung klassischer Computer, wenn es darum geht, komplexe Molekülstrukturen zu simulieren. Quantencomputer versprechen hier die Lösung. Ein vielversprechender Algorithmus dafür ist ADAPT-VQE, doch er bleibt oft in sogenannten "Gradient Troughs" stecken, Phasen, in denen die Berechnung stagniert und wertvolle Quantenressourcen verschwendet werden. Jonas Stadelmann und Julian Übelher von der HTL Bregenz haben Methoden entwickelt, um diese Sackgassen zu überwinden.

Raus aus dem Tal der Stagnation

Der Weg dorthin führte die beiden für sechs Wochen an die Virginia Tech in den USA. Betreut von Dr. Matthias Hirner und gefördert durch Erasmus+ forschten sie gemeinsam mit Prof. Dr. Sophia Economou und der Doktorandin Mafalda Ramôa am Center for Quantum Information Science. Ihr J1-Visum bekamen sie gerade noch rechtzeitig: Einen Tag nach ihrem Botschaftstermin setzte die Trump-Administration das Programm aus.

Der ADAPT-VQE-Algorithmus sucht den energetisch niedrigsten Zustand eines Moleküls iterativ: In jedem Schritt wird ein Operator aus einem Pool hinzugefügt, derjenige mit dem größten Gradienten, also dem größten erwarteten Fortschritt. Die Schüler fanden heraus, dass diese Gradienten in einem Trough am Ende des Ansatzes, wo ADAPT-VQE die Operatoren standardmäßig anhängt, extrem klein werden, an früheren Positionen aber deutlich größer sind. Der Grund: Die Operatoren kommutieren nicht, ihre Reihenfolge ist nicht austauschbar. Jonas übernahm die mathematischen Herleitungen und Programmierung, entwickelte daraus vier neue Protokolle und führte den Austausch mit der Partneruniversität. Julian visualisierte die Ergebnisse und präsentierte sie auf Institutsmeetings. Simulationen an einer linearen H6-Atomkette zeigten: Das beste Protokoll, OO/OP, bricht Gradient Troughs aktiv auf und reduziert die benötigten Quantencomputer-Messungen dort um das Zehntausendfache.

Die Erkenntnisse erschienen am 31. Dezember 2025 als Preprint auf arXiv, die Einreichung zum Peer Review folgt. Eine HTL-Diplomarbeit, die auf Augenhöhe mit internationaler Quantenforschung landet.

 

HTL Bregenz |  Jonas Stadelmann, Julian Übelher  |  Betreuung: Ing. Mag. Dr. Matthias Hirner  | Kooperation: Virginia Tech, Prof. Dr. Sophia Economou