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一文读懂量子近似优化算法(QAOA)
近期，来自南非、意大利、中国台湾、美国、印度、爱尔兰的跨国联合团队在arXiv上发布了一篇全面综述，概述了QAOA的现状，包括它在不同场景下的性能分析、在各种问题实例中的适用性，以及对特定硬件挑战的考虑（如易错性和抗噪性）。此外，还对选定的QAOA扩展和变体进行了比较研究，同时探讨了该算法的未来前景和方向。
目录
1. QAOA：最有前途的VQA之一2. 相关概念简述2.1. 什么是最大割问题？2.2. 什么是QUBO问题？2.3. 最大割问题的经典算法2.4. 什么是变分量子算法？2.5. 什么是量子近似优化算法(QAOA)？3. 深入分析QAOA3.1. Ansatz的变体3.2. 参数优化3.3. 计算资源效率3.4. 解决方案的质量3.5. 噪声和错误的考虑3.6. 特定硬件的方法4. 进展与挑战4.1. 现状：经典求解器仍有优势4.2. 潜在的应用和用例4.3. QAOA的量子优势4.4. 开放性问题和未来方向
虽然容错的量子计算机还需要几年的时间，但在噪杂的中尺度量子计算机（NISQ）的开发方面已经取得了重大进展，人们对寻找旨在运行在这些近期量子设备上的有用算法越来越感兴趣。
因此，变分量子算法（VQA）被提出，并通过混合量子-经典优化程序来利用当前的量子系统。VQA的混合循环包括一个在量子计算机上运行的参数化量子电路和一个优化器，该优化器可以通过最小化基于量子电路输出的成本函数来更新经典机器上的参数。这样一来，VQA往往具有浅层量子电路的优势，使其不容易受到NISQ设备的噪声影响。到目前为止，VQA已经在各个领域找到了使用案例，包括量子化学模拟、机器学习和优化。
量子近似优化算法（QAOA）是最有前途的VQA之一，近年来引起了极大的兴趣。QAOA旨在寻找量子计算机上hard组合优化问题的近似解：它将与问题相关的哈密顿量编码到量子电路中，并利用绝热时间演化和分层来优化电路的变量参数，这样就可以通过测量QAOA电路的最优参数集来构造问题的近似解。
它基本构件（即QAOA电路的单层）由一个与问题哈密顿量相关的成本层和一个混合器层组成，其对应的哈密顿量与问题哈密顿量不相通。QAOA的性能通常用近似比CQAOA/Cmax来衡量，即与QAOA输出的解决方案相关的成本与真正的最优解决方案的成本的比率。理论上，这样的近似比随着层数p的增加而增加，因为QAOA在p→∞的极限中恢复了绝热的演化。
QAOA适用于寻找几个优化问题的良好近似解，如最大割（MaxCut）、最大独立集（MIS）、二进制“油漆店”问题（Binary Paint Shop Problem，BPSP）、二进制线性最小二乘法（BLLS），以及更广泛的二次无约束二进制优化（QUBO）问题等。因此，QAOA在现实世界中的应用很多，而且意义深远。最近的一些例子包括投资组合优化、航空中的“尾巴分配（tail assignment）”问题、物体检测、多输入多输出信道上二进制符号的最大似然检测、文本总结、最大独立集、因子化（变量子因子算法）、蛋白质折叠和无线调度。
然而，目前，文献中仍有许多关于该算法各方面的矛盾意见：例如，对于哪些问题QAOA可以超越经典算法？在目前量子设备的噪声和误差下，它是否能提供任何实际的量子优势？
因此，科学家们广泛地研究了现有的文献，对QAOA的现状进行了全面的回顾，并总结了该算法不同方面的现有结果。这篇综述旨在成为使用QAOA的指南，为有关该算法的关键问题提供见解：即QAOA是否可以超越经典算法，以及在什么情况下应该使用它。
一般来说，组合优化问题涉及在一组可行的解决方案中寻找最佳解决方案，给定一些对离散变量集的约束。目标函数可以是最小化的、也可以是最大化的，它可以被看作是一个可行的解决方案所满足的条款之和（可能是加权的）。
一些典型的组合优化问题包括背包问题、旅行推销员问题和最大割问题。然而，由于这类问题的组合性，解空间会随着输入数量的增加而爆炸，优化过程很快就变得难以解决。一般来说，寻找许多组合优化问题的精确解属于NP复杂性类别。这意味着经典的算法不能有效地检索出最优解，因为所需的时间与输入的数量呈指数级增长。
在这种情况下，近似优化算法被用来在多项式时间内找到一个好的近似解，它可以被表述如下。给定一个组合优化问题，定义在形式为x = x1 ··· xn的n位二进制字符串上，目标是最大化一个给定的经典目标函数C（x）：{0，1}n→R≥0，近似优化算法旨在找到一个解决方案x∗，使近似率α（定义为Cmax=maxx C(x)）达到某个期望值。
理想情况下，该值应尽可能接近于1。尽管近似算法找到的解决方案可能不是最优的，但它通常带有一些最优性保证，这通常是对解决方案质量的下限。例如，当且仅当一个算法能够在问题的每个实例的最优解的α因子（≤1）范围内找到一个解决方案时，该算法被称为对问题的α近似算法。因此，如果存在这样的算法，上述标准就证明了近似解至少是最优解的α倍。然而，对于某些优化问题，近似解和最优解之间的差距不能在多项式时间内减少，这表明很难找到与最优解有关的紧下限。它意味着除非P=NP，否则不可能找到基础问题的多项式时间近似值。
更正式地说，许多优化问题可以转化为二次无约束二值优化（QUBO）形式。然而，QUBO问题通常是NP-完全的，这意味着寻找解决方案通常需要遍历一个随问题大小呈指数增长的解决方案空间。另一方面，由于量子比特的叠加性质，量子计算有望实现指数级的计算速度。量子系统的指数级增长的希尔伯特空间可以自然地容纳组合优化问题的解空间，因此，在解决这类问题时可能比经典机器更有优势。
量子近似优化算法（QAOA）旨在通过利用量子电路找到近似的解决方案来解决QUBO问题。其目的是通过利用QAOA的能力来解决经典计算中存在的固有的近似硬度问题。然而，应该注意的是，虽然QAOA有可能应用于广泛的优化问题，但其有效性取决于具体的问题特征。
1）什么是最大割问题？
最大割问题是最著名的优化问题之一，它涉及到在一个图中找到一个切口，使图的顶点被分成两个互补的子集，并且切口所穿过的边的权重之和达到最大。最大割问题可以表述如下：给定一个无向图G=（V，E），其中V是顶点的集合，E是边的集合，wij是连接顶点i和j的边（i，j）∈E所对应的权重。最大割的目标是将图的顶点xi（对于i = 1, . . ，|V|，分成两个互补的子集，分别以0和1为标签，这样，连接不同分区中的顶点的边的加权和，定义为：
最大化，其中 wij > 0, wij = wji , ∀(i,j) ∈ E, xi ∈ {0, 1}。 目前，最大割问题表现最好的经典算法是Goemans-Williamson算法，它提供了一个α ≃ 0.878的解决方案。由于这些原因，最大割被认为是hard组合优化问题的典范例子。在这方面，QAOA算法在寻找诸如最大割等hard组合优化问题的解决方案方面显示出良好的前景。
2）什么是QUBO问题？
二次无约束二值优化模型（QUBO）问题代表了最大割问题的一个更普遍的表述。QUBO问题属于NP-完全(NP-complete)类。这在数学上保证了任何NP-完全问题都可以在多项式时间内被映射到QUBO问题上。
除了最大割之外，还有一些相关的优化问题，如图着色问(Graph Coloring)、数字分区问题(Number Partitioning)、 背包问题等。在QUBO问题中，未知数的向量x = (x1, . . . xn)由决策变量表示，采取离散的二进制值，因此x∈{0, 1}n。此外，一个QUBO问题由一个方形对称矩阵Q∈Rn×n定义。例如，对于成本函数如下：
QUBO问题的目的是找到最佳矢量x∗：
通过简单地颠倒成本函数C(x)的符号，即翻转w中系数的符号，QUBO也可以被定义为最大化问题而不是最小化问题：
值得注意的是，QUBO问题是无约束的，即对变量x没有约束。许多优化问题可以被重新表述为QUBO问题。虽然QUBO问题仅限于变量之间的二次互动，但它们可以扩展到高阶项。具有高阶交互作用的优化问题一般被称为多项式无约束二元优化（PUBO）问题。有研究表明，任意的组合优化问题可以通过对偶化约束映射到PUBO问题；另外，它们也可以用Lechner-Hauke-Zoller（LHZ）或奇偶性模型来表述。
3）最大割问题的经典算法
尽管最大割问题是计算机科学中一个著名的具有实际意义的优化问题，但寻找最优解在计算上是一个挑战，因为它是一个NP-难问题。这意味着没有已知的算法可以在关于输入大小的多项式时间内解决它。然而，一些近似算法和启发式算法可以在实际问题大小的合理时间内提供良好的解决方案。
例如，贪心算法（Greedy Algorithm) 因其简单高效而被广泛使用：它们在每个迭代步骤中进行局部最优选择，希望能找到全局最优解，但这种只关注当前步骤的近视策略往往会导致次优解，特别是当问题在不同变量或特征之间表现出复杂的相互作用时。
局部搜索算法是一种启发式技术，可以通过系统地探索搜索空间来克服这一限制。它们从一个初始解决方案开始，通过考虑当前解决方案的邻域并移动到最佳邻域解决方案来迭代改进；找到的解决方案的质量深刻地取决于初始解决方案和探索的邻域的质量。然而，局部搜索算法仍然可能陷于次优解，特别是在搜索空间很大或很复杂的情况下。模拟退火是一种特定类型的局部搜索算法，可以帮助避免陷入局部最优：它使用一个温度参数来控制接受较差解决方案的概率。在最大割问题的背景下，模拟退火可以提供良好的解决方案，但是对于大的问题实例来说，它可能会很慢。
遗传算法也是流行的元启发式算法，它产生一个可能解决方案的初始群体，并应用遗传算子，如选择、交叉和变分来产生新的解决方案，然后用目标函数来评估。它们可以为复杂的优化问题提供合理的解决方案；然而，由于需要维持一个解决方案的群体，并使用目标函数评估每个解决方案，它们对大型问题实例来说可能很慢。
最大割的另一个流行的启发式算法是谱聚类（spectral clustering），它包括使用图的拉普拉斯矩阵的特征向量将图分成两部分。拉普拉斯矩阵的特征向量可以捕捉到图的全局结构，并能够识别图中最重要的切口。谱聚类可以为许多最大割实例提供良好的解决方案，尽管它对用于分割的特征向量数量的选择和特征值之间的谱差距很敏感。此外，谱聚类对于大图来说计算成本很高。这些技术可以为解决方案的质量提供强有力的理论保证，但它们可能需要大量的计算资源来解决问题的大实例。
在这方面，最大割问题的一个突出的经典近似算法是Goemans-Williamson算法，该算法基于半无限编程（SDP）的弛豫。该算法将最大割问题转化为SDP问题，将每个节点在两个集合中的二元约束放宽为高维空间的实值向量。SDP弛豫的解决方案提供了一组实值向量，这些向量可以被随机舍入以获得原始问题的可行解决方案。随机舍入程序将每个向量映射到两个集合中的一个，概率与它的平方长度成正比；值得注意的是，该算法保证了至少0.87856的近似率，确保获得的切割权重至少是最优切割权重的87.856%。
深入了解为近似最大割概率而提出的经典方法可以为该问题的复杂性和经典计算资源的局限性提供有价值的见解。此外，随着量子计算的出现，这些知识可以激发新型量子算法的发展，从而利用量子力学的力量更有效地解决这个问题。
4）什么是变分量子算法？
VQA，包括VQE、VQS、QAOA、QCBM、QNN及其日益复杂的改进，已经越来越成熟，成为最适合使用门型NISQ计算机实现量子优势的相关技术主体。VQA利用经典优化工具，在量子计算机上运行参数化量子电路。
变分量子算法（VQA）示意图。VQA的输入是：对问题的解进行编码的损失函数C(θ)，对参数进行训练以最小化损失的ansatz，以及（可能）在优化过程中使用的一组训练数据。在循环的每一次迭代中，我们都会使用量子计算机来有效地估计损失（或其梯度）。这些信息被输入到一台经典的计算机中，该计算机利用优化器的能力来解优化问题。一旦满足终止条件，VQA将输出问题解决方案的估计值。输出的形式取决于具体问题。图中显示了一些最常见的输出类型。
为了使混合经典-量子计算成功，需要克服两个挑战。首先，我们需要找到参数化量子电路，这些量子电路具有表达能力，能够对相关优化问题的最优解产生足够好的近似。第二，量子电路参数的经典优化需要足够快和准确地解决。图2展示了变分量子算法优化过程。
VQA优化流程图。这项工作解决了经典优化部分的复杂性（红色）。
变分量子算法(VQA)的主要优点之一是它们提供了一个通用的框架，可用于解决各种各样的问题。对于一个优化问题，由一个参数化量子电路产生的可观测状态的期望值来定义损失函数；然后将参数优化外包给经典优化器，经典计算机通过优化电路参数的期望值来训练量子电路。如图1所示，变分量子算法（VQA）的步骤如下所示：
1）定义损失函数C，对问题的解进行编码；
2）提出ansatz，即依赖于一组可以优化的连续或离散参数θ的量子操作；
3）使用来自训练集的数据在混合量子经典循环中训练该ansatz以解决优化任务
它有些像是机器学习在量子计算中的自然类比。对于经典机器学习算法，模型通常是一个在经典计算机上运行的神经网络；对于变分量子算法，模型是一个在量子计算机上运行的量子电路。
5）什么是量子近似优化算法(QAOA)？
QAOA最早由Farhi等人提出，是一种能够找到最大割问题的近似解的VQA，适合在NISQ设备上运行。受QAA的Trotterized版本启发，QAOA被设计为一个具有重复成本和混合层的变分算法，即这些步骤，而不是遵循一些f,g函数，是以变分方式训练的。
因此，它有一个重复成本层和混合层，分别表示为C（γk）和M（βk），其中k表示第k层。然而，参数γk和βp不是遵循预定义的f和g函数，而是以变化的方式训练。在这个意义上，QAOA可以被看作是QAA的离散化版本和VQE的一个特例。QAOA的关键思想是将优化问题的目标函数编码为成本哈密顿量HˆC，以搜索一个最佳位串x∗，该位串将以高概率给出一个好的近似比α。
事实上，成本函数C(x)可以被映射到成本哈密顿方程HˆC中，以便
其中x是编码位串x的量子态。
值得注意的是，QAOA通常用混合器哈密顿量的最高能量特征态来初始化，而不是基态（例如在最大割问题的情况下）。尽管如此，绝热定理在这种情况下仍然成立。
QAOA作为一种有前途的解决组合优化问题的方法，已经在量子计算界引起了极大的兴趣。本节全面地分析了QAOA及其相关的各个方面：分析涵盖了一系列主题，包括定理变体、参数优化策略、计算资源效率、解决方案的质量、噪声和误差考虑以及特定硬件的方法。
1）Ansatz的变体
ansatz是对未知函数形式的一种有根据的猜测，主要为了促进方程或其他问题的解决而进行的。在QAOA的背景下，需要做出的定理是关于量子电路的结构，它定义了运算符：
其中此类算子分层p次。ansatz的选择通常取决于问题的类型，如以图表示的组合问题，或受硬件设计强烈影响的问题。然而，ansatz的设计必须平衡特殊性和通用性，以避免过度拟合并保持对广泛问题的适用性。
由于这个原因，为QAOA设计最佳的ansatz是一个广泛研究和广泛调查的主题。
2）参数优化
本节中讨论了QAOA中参数优化的关键方面。这包括寻找好的初始参数的各种方法、随着QAOA电路的深度和复杂性的增加，这变得越来越重要。
该算法的最初建议是在一个被认为是接近最优参数的范围内随机选择初始参数；然而，这种方法往往会阻碍算法的性能，特别是当成本函数景观崎岖不平且包含许多局部最小值时。因此，开发高效、可靠的参数优化策略对于实现最佳的QAOA性能至关重要。
3）计算资源效率
在这一节中，团队深入研究了QAOA的计算资源效率，主要集中在达到所需解决方案的时间上。具体来说，内容探讨了QAOA相对于经典算法的提速潜力，强调了它已经表现出优势的实例；然而，阻碍QAOA实现量子加速的障碍也是存在的，例如参数优化的挑战和早期容错量子计算机的纠错开销
通过对这些方面的研究，可以对QAOA的编译资源效率进行全面的分析，对在优化问题中实现量子优势的潜力提供见解。
QAOA被认为是实现对经典算法和量子退火的量子优势的主要候选算法之一。决定这种优势的一个关键方面是QAOA比其他算法更快解决问题的能力，从而实现量子加速。
如今，QAOA已经证明了其在优化问题和其他领域提供量子加速的能力。一个值得注意的例子是非结构化搜索问题，Jiang等人提出了一个新的量子算法，通过纳入QAOA电路，用横向场取代Grover算法中的原始扩散操作器。他们的方法展示了QAOA在非结构化搜索中的潜力，在中间层数（p ≫1）的情况下，实现了T∼O(^N)的接近最佳的查询复杂性，其中N代表搜索空间大小——这一结果显示了与Grover的原始算法相似的二次量子加速。
虽然QAOA已经证明了在特定问题领域的量子加速，但是，在更广泛的背景下实现量子优势仍有许多障碍需要克服：与电路深度、纠缠、变量参数的优化和噪声有关的挑战构成了重大障碍。
尽管由于许多因素，用QAOA实现量子加速存在挑战，但最近的文献中提出了许多方法来提高算法的效率，以达到预期的解决方案。大多数建议集中在改进参数优化过程，当然，也有一些针对算法的其他方面的技术。QAOA的运行时间性能在上述求解器中具有竞争力；然而，还需要进一步的研究来评估这种方法在不同类型的图和更大的实例规模上的有效性、可扩展性。
4）解决方案的质量
自其诞生以来，人们一直在追求建立严格的数学框架来分析QAOA的性能，从而提供具体的理论界限。这些理论界限在理解这种量子优化算法的能力和限制方面起着至关重要的作用。
一方面，它们允许我们将QAOA的性能与经典优化算法进行比较，为评估可能提供的量子优势提供基础。这种分析有助于确定QAOA在各种应用领域的可行性和潜在的现实影响。
另一方面，它使我们能够评估该算法的固有局限性，并确定它可能是次优或低效的情况。这种理解有助于指导替代优化方法的开发，或确定算法可以改进的地方。
在下文中，我们将调查以前的研究，探讨QAOA的性能保证（第3.4.1节）和局限性（第3.4.2节），以及一些经典算法在不同优化问题实例上的表现。尽管大多数理论研究主要集中在低深度的QAOA分析上，因为更高的深度涉及到复杂性，但也存在适用于更高深度，甚至是任何深度的结果。这些结果在表3中进行了总结。在介绍这些结果时，我们将重点关注QAOA在具体问题上是否能胜过经典算法。此外，我们将强调经验证据（第3.4.3节），探讨QAOA相对于量子退火或经典算法的潜在优势。
5）噪声和错误的考虑
QAOA是一种受绝热量子计算启发的量子算法，它利用分层来实现所需的解决状态。理论上，它对真实解决方案的近似率（α）随着交替成本和混合器层数（p）的增加而增加；然而，在现实中，通过增加层数获得的性能增益可能会受到NISQ时代设备中更深的电路中积累的噪声和错误的严重挑战。
除了电路深度之外，系统规模的增加（例如，对于更大的图形）和硬件的更高噪声率也会导致累积的噪声总量增加，并阻碍算法在实际环境中的有效性。
最近的研究发现，噪声和错误对QAOA等VQA的可扩展性和性能构成了实质性的挑战。局部的和相关的噪声都会对QAOA产生不利影响，因此，尽管QAOA在某些无噪音的环境中可能表现出潜在的量子优势，但它在近期的硬件中的性能可能会受到严重影响。
为克服其中的一些挑战，科学家已经提出了各种错误缓解技术来改善QAOA在近期的实用性：包括确定噪声源的特征、理论分析和使用真实量子硬件/噪声模拟器的经验研究、噪声缓解技术等。
最后，最近在一般指数误差抑制方案方面的进展为在近期使QAOA更加实用提供了一些希望。然而，为了解决更多问题，量子技术专家必须努力实现更精确的门、并最终实现容错的量子计算。
6）特定硬件的方法
现在，科学家们在利用特定的硬件提高QAOA的性能方面已经有了很大的进展。这其中包括捕获离子、中性原子、超导量子比特和光量子计算机。这些方法的目标包括克服硬件连接的限制和减轻与噪音有关的问题，以扩大QAOA对广泛的组合优化问题的适用性；此外，硬件实现还提供了一个验证错误缓解技术有效性的机会。然而，必须注意的是，不同的结构有自己的优点和缺点。
近年来，量子计算取得了重大进展，人们对在模拟器和真实设备上系统地比较VQA、特别是QAOA的兴趣越来越大。
了解这些算法的性能和效率对其实际应用和量子计算的发展至关重要。
1）现状：经典求解器仍有优势
QAOA中的定理选择对于有效解决问题以及平衡特异性和一般性以避免过度拟合至关重要。现在，已经提出了多种方法：包括ma-QAOA、QAOA+、ab-QAOA和PG-QAOA，它们引入了新的参数、层和优化技术来增强传统QAOA的定理。
参数优化是QAOA的一个重要方面，特别是当随着算法的深度和复杂性的增加时。考虑到复杂性与深度的增加同时存在，可以开发一些方法来减少解析深度。QAOA推理的参数创造了一个参数空间，这些参数应该被有效地选择以支配QAOA的正确运行。现在，科学家们已经提出了各种技术来解决寻找好的初始参数的挑战：如启发式策略、参数固定、图神经网络和参数跨图转移。
经典的优化算法，如基于梯度的方法和无梯度的方法已经被用来探索QAOA的参数空间。基于梯度的方法，如梯度下降和策略梯度被广泛用于优化量子电路的参数，如QAOA；然而，与无梯度方法相比，它们的计算时间可能很高。
可以尝试用各种机器学习技术来提供更有效的参数，自动学习并采用理想的参数模式。机器学习方法，包括强化学习和元学习，已经被应用于改善QAOA的参数优化。这些机器学习方法已经被应用于训练模型和寻找QAOA的最佳参数，通常会导致更快的收敛和更好的性能。
在QAOA等量子算法中也探索了参数对称性。利用参数对称性可以通过减少退行性、实现更有效的性能来大大增强QAOA的优化过程。这种方法可以提供几个优势：包括减少QAOA的能量评估成本、准确预测QAOA的性能，并通过集中最优参数作为相对于问题大小的反多项式来改善电路训练。某些研究甚至表明，最佳QAOA参数有时可以通过分析得出，从而进一步简化了搜索过程。
效率和性能 QAOA被认为是实现量子优势的主要候选者——无论是在运行时间效率还是在解决方案的质量方面。 一些工作已经强调了它在优化和其他问题领域中与经典算法相比的速度提升潜力。尽管如此，在近期设备上用QAOA实现量子加速是不可能的，主要是由于在大型QAOA电路中优化变异参数的挑战。
在早期的容错量子计算机上实现量子优势的前景也是有限的，因为错误纠正的大量开销，使算法的速度大大降低。在实现QAOA和其他量子算法时，应该利用问题结构来实现高阶提速。同时，人们提出了许多提高QAOA运行效率的方法，主要针对参数运算过程。其他改进策略也得到了探索，包括修改QAOA的定理、优化门操作、减少采样次数等。
另一方面，解的质量通常以解决优化问题时的近似率为特征，是评价QAOA有效性的另一个重要指标。有几个因素被认为对QAOA提供的解决方案的质量有重大影响，包括电路深度、纠缠、参数优化、基础图的属性等。此外，人们还采用了多种策略来评估在什么条件下使用QAOA比经典算法更有优势。
总之，虽然对QAOA的效率和性能的研究在某些问题实例中产生了有希望的结果，但经典求解器在解决广泛的优化问题方面仍然具有很强的竞争力，这使得用QAOA实现量子优势具有挑战性。在目前的量子计算机中，噪音的不利影响进一步加剧了这一挑战。 因此，用QAOA获得普遍和明确的量子优势仍然是一个开放的问题。然而，在理解影响QAOA有效性的关键方面，如电路深度、参数优化、图结构等方面已经取得了进展，并提出了相应的策略来改善这些方面。未来的研究和实验方法的标准化，需要评估这些建议能在多大程度上使QAOA比其经典的同类产品更具优势。
目前，硬件中的局部误差和相关误差都对QAOA的可扩展性和性能构成了重大挑战。在局部错误的情况下，理论研究表明，QAOA的性能会随着噪声强度的增加而出现指数级的下降，这意味着使QAOA有效的时间复杂度是指数级的，严重限制了其可扩展性；另一个主要挑战是，即使只有局部噪声，QAOA的参数优化也会受到噪声引起的影响，这无法用对无噪声有效的技术加以缓解。相关误差的不利影响也得到了研究，包括串扰噪声、精度误差、残留ZZ耦合引起的相干误差等。因此，理论和模拟研究都表明，量子优势不太可能与当前器件的噪声水平相匹配。为了与经典设备的性能相匹配，量子计算机的错误率将需要大幅提高，甚至达到低于密集和非硬件原生图形的容错阈值。
尽管如此，人们已经为NISQ器件提出了错误缓解技术，如优化SWAP网络、门减少策略、利用问题对称性，以及其他针对错误的策略。此外，在过去的几年里，器件，特别是那些利用捕获离子的器件，在成熟度方面取得了重大进展。
2）潜在的应用和用例
在深入讨论了QAOA的各个方面之后，重要的是要探索该算法可以并且已经被应用于现代问题。
这些算法的近期应用表现在诸如Niroula等人给出的结果上，他们通过QAOA证明了近期量子计算机在解决工业相关的约束性优化问题上的潜力，考虑了一个提取性总结问题。他们在捕获离子量子计算机上使用了带有Hamming-weight-preserving XY mixer（XY-QAOA）的量子交替算子算法：在多达20个量子比特上有效地实现了XY-QAOA电路，强调了将约束直接编码到量子电路中的必要性。结果表明，正确的算法选择和兼容的NISQ硬件已经可以解决与现代工业相关的约束优化问题，而且量子优势对于变分量子算法来说是近在眼前的。
Bravyi等人使用RQAOA对图的近似顶点k着色的工作，也是对正确选择量子算法显示潜在量子优势的类似证明。这表明RQAOA可以成为NISQ设备的强大工具，并指出它有可能在图形着色问题的某些实例中优于经典解决方案；Tabi等人提出了一种空间效率高的量子优化算法，明确为图形着色问题定制。鉴于目前量子计算架构的不同优势和限制，他们强调了灵活的电路设计方法的必要性；引入了一种空间效率高的量子优化算法，极大地减少了概率编码所需的量子比特。同时还降低了达到最优解所需的层数和优化迭代步骤。
在金融行业，Baker和Radha对QAOA在投资组合优化中的性能进行了基准测试，提供了另一种实际应用。他们的研究集中在由归一化和互补的Wasserstein距离确定的解决方案质量上，表明这种测量可以作为特定应用的性能基准。结果表明，随着QAOA电路深度的增加，解决方案的质量有所提高，在大多数测试系统中，2个量子比特的p=5时达到峰值，而在一个捕获离子处理器上，3个量子比特的p=4时达到峰值。这些结果表明QAOA及其变体在解决金融优化任务方面的潜力。Hodson等人的研究进一步证实了QAOA在投资组合优化中的应用：他们在门模型量子计算机的理想化模拟器上，对与金融业相关的离散投资组合优化问题的性能进行了经验分析。研究表明，他们在NISQ硬件上的应用具有潜在的可操作性，对于一个小型的8只股票的投资组合来说，在最佳调整收益和最佳风险的5%范围内确定投资组合。
在通信方面，Cui等人将QAOA应用于多输入多输出（MIMO）信道上传输的二进制符号的最大似然（ML）检测问题。他们证明了基于QAOA的ML检测器可以接近经典ML检测器的性能，揭示了在NISQ计算机上有效解决大规模经典优化问题的潜力。
在计算机视觉方面，Li等人在QUBO的大框架下研究了部分遮挡的物体检测的应用。他们提出了一个用于物体检测的混合量子-经典优化的三层改进方法，从而使执行速度显著提高--通过选择L-BFGS-B作为经典优化器，实现了超过13倍的速度。他们还证明，优化重新安排门操作，特别是在较深的电路中，在第三层次上导致了更好的电路保真度。这项研究的结果阐明了QAOA对物体检测任务的潜在好处。
一些其他潜在的未来范围包括非高斯门的实验实现、探索存在退相干的量子优势、开发专门的QNN、调查联合架构，以及更深入地探索QNN的基本量子物理概念。
3）QAOA的量子优势
在特定的问题实例和特定的条件下，QAOA在实现比经典算法更多的量子优势方面显示出巨大的潜力。这种方法针对经典的优化问题，提供了更高的效率和改进的性能解决方案。然而，由于各种挑战，包括近期量子设备的噪声和硬件限制以及最先进的经典求解器的竞争力，这种优势还没有完全实现。
在计算运行效率方面，QAOA表现出的优势包括解决密集图上的最大割问题，为大型最小顶点覆盖（MVC）问题提供指数级加速，以及在特定图实例上的最大独立集（MIS）问题上，与模拟退火（SA）相比实现了超线性量子加速。此外，QAOA还在其他领域显示出潜力，如非结构化搜索问题和量子线性系统问题（QLSP），它在这些领域的表现优于各种经典和量子算法。
在解决方案的质量方面，多项研究将QAOA与经典算法在各种运算问题上进行比较，包括最大割、Max-kXOR和其他约束满足问题（CSP），发现QAOA在特定条件下或针对某些问题可以超越经典算法。
尽管有这些令人鼓舞的结果，其他研究发现，经典算法在许多情况下仍然可以匹配或超越QAOA的性能。经典算法的一个简单修改（即高斯波过程），与QAOA 1相比，在无三角的D-规则图上的MaxCut，在D→∞的渐进极限中取得了比随机分配更大的改进。
此外，QAOA在无法超越最佳经典算法的情况下会遇到一些限制，例如解决双位D-regular图上的最大割问题。它还可能面临由于局部性约束带来的限制，当整个图对算法不可见时，它的算法性能受到限制。
为提高QAOA的效率，可以改进的一个领域是其定理设计。最近，诸如ab-QAOA、ADAPT-QAOA和QAOAnsatz等变体的改进已经大大超过了标准QAOA。ab-QAOA极大地减少了计算时间，实现了更快的收敛，其改进与问题大小成正比；ADAPT-QAOA应用了绝热的捷径原理，表现出更高的收敛速度，并将CNOT门的数量和优化参数减少了一半左右，简化了量子计算；QAOAnsatz在定义部分定理时引入了更多的灵活性，从而扩大了可解问题的范围，并使更大的和潜在的更有用的状态集能够被代表，而不是用原来的公式。
这些进步可以加速实现解决组合优化问题的量子优势。
QAOA的性能也与它的深度（即层数）密切相关，因为更大的深度意味着更多的参数需要优化。寻找最佳参数通常需要多项式时间，这使得QAOA很难实现量子加速——即使是在低深度下；因此，参数优化对于QAOA的量子优势至关重要。已经提出了各种技术来有效地初始化QAOA参数，取得了比随机初始化更好的结果。许多工作也表明，当与不同的优化策略相结合时，如基于梯度的方法、无梯度技术和某些机器学习方法，QAOA经常显示出快速收敛到最优解和更好的解决方案质量。此外，某些问题实例中的参数集中和对称性可以被利用来进一步提高参数优化的效率。
然而，在更实际的环境中，即在真正的量子计算机上运行QAOA时，要实现量子优势仍有很大障碍。与各种噪声源有关的挑战（包括局部和相关的错误），都是重大的障碍。因此，利用QAOA实现一致的量子优势的工作仍然是一个持续和活跃的研究领域。
尽管如此，QAOA与NISQ设备表现出很强的兼容性，增强了其近期的应用性。一些QAOA变体显示出对噪声的弹性，使它们非常适合NISQ设备。经验表明，QAOA可以在这些量子平台上有效地管理行业相关的受限优化问题，有效地解决可扩展性和兼容性问题。这种多功能性，再加上QAOA在各种现实世界问题上的成功应用，使其适应性和广泛的使用案例得到了充分的肯定。
4）开放性问题和未来方向
QAOA以其解决各种优化问题的潜力，代表了量子计算中一个值得注意的里程碑。尽管取得了重大进展，但在QAOA领域仍有许多研究机会。挖掘这种量子优化算法的全部潜力可能需要理论认识、经验研究、算法改进、参数优化以及对纠缠和问题结构的彻底探索等因素的结合。
参考链接：https://arxiv.org/abs/2306.09198