Feedback-Based Quantum Algorithms for Optimization
Salahuddin Abdul Rahman
Abstract
This thesis develops a control-theoretic framework for the design and analysis of quantum optimization algorithms.The central idea is to model quantum algorithms as controlled dynamical systems in which quantum gates act as control inputs that steer the system's state toward the ground or excited states of a target Hamiltonian.Within this framework, the thesis advances the family of feedback-based quantum algorithms (FQAs), building on Lyapunov-inspired feedback principles introduced in prior work, and develops new algorithmic extensions for constrained optimization and excited state preparation.This work is motivated by the potential of FQAs to tackle complex optimization problems, such as preparing ground states of Hamiltonians, which underpin a wide range of applications in engineering, chemistry, and combinatorial optimization.This work enhances the performance of FQAs and extends their applicability to a broader class of quantum optimization problems.It consists of three main parts.The first part focuses on enhancing the performance and robustness of FQAs.It introduces an adaptive sampling noise mitigation technique that incorporates a new control law into the algorithm design to improve robustness and convergence with limited measurements.The second part extends the feedback-based framework to excited state preparation, yielding two new algorithms: the feedback-based quantum algorithm for excited states preparation (FQAE) and the weighted feedback-based quantum algorithm for excited states preparation (WFQAE), with applications in quantum chemistry and many-body physics.The third part generalizes the feedback-based framework to tackle more complex combinatorial optimization problems, specifically those with inequality and invalid configuration constraints, by proposing the feedback-based algorithm for quantum optimization with constraints (FALQON-C) and the feedback-based algorithm for quantum optimization with invalid configuration constraints (FALQON-IC).The design of these algorithms leverages control theory to reduce circuit depth while maintaining convergence efficiency within the feedback framework.The thesis demonstrates that control-theoretic tools such as Lyapunov stability analysis and feedback design provide a systematic foundation for developing quantum algorithms with improved robustness, generalization, and scalability.The results offer new insights into quantum optimization and highlight the role of control theory as a guiding principle for the development of efficient feedback-based quantum algorithms.iii ResuméDenne afhandling handler om, hvordan man kan bruge kontrolteori til at udvikle og analysere kvantealgoritmer til optimering.Hovedideen er at betragte kvantealgoritmer som dynamiske systemer, der kan styres, hvor kvanteoperatorer fungerer som styringssignaler, der gradvist bringer systemet hen mod en ønsket tilstand, for eksempel grundtilstanden af en given Hamilton-operator.Inden for denne ramme videreudvikler afhandlingen såkaldte feedback-baserede kvantealgoritmer (FQAs).Disse algoritmer bruger løbende målinger og feedback til at justere sig selv, inspireret af klassiske principper fra kontrolteori.Afhandlingen bygger videre på tidligere arbejde og introducerer nye metoder, som gør det muligt både at løse optimeringsproblemer med begrænsninger og at beregne exciterede tilstande.Motivation for arbejdet er, at denne type algoritmer har potentiale til at løse svære optimeringsproblemer, som f.eks.at finde grundtilstande af Hamiltonoperatorer.Sådanne problemer er centrale i mange anvendelser inden for ingeniørvidenskab, kemi og kombinatorisk optimering.Afhandlingen forbedrer både ydeevnen og anvendeligheden af feedback-baserede kvantealgoritmer og er opdelt i tre hoveddele.Den første del fokuserer på at gøre algoritmerne mere robuste og mindre følsomme over for støj i målinger, blandt andet ved at indføre en adaptiv metode, som fungerer bedre, når antallet af målinger er begrænset.Den anden del udvider metoden til også at kunne beregne exciterede tilstande.Dette fører til to nye algoritmer, som kan anvendes inden for blandt andet kvantekemi og mangelegeme-fysik.Den tredje del viser, hvordan den feedback-baserede tilgang kan bruges til mere komplekse optimeringsproblemer, hvor der er begrænsninger eller ugyldige løsninger.Her introduceres nye algoritmer, der er designet til at håndtere sådanne problemer effektivt, samtidig med at kvantekredsløbene holdes så simple som muligt.Samlet set viser afhandlingen, at værktøjer fra kontrolteori, som stabilitetsanalyse og feedback-design, giver et solidt og systematisk grundlag for at udvikle mere robuste, fleksible og skalerbare kvantealgoritmer.Resultaterne giver ny indsigt i kvanteoptimering og understreger kontrolteoriens vigtige rolle i udviklingen af effektive feedback-baserede kvantealgoritmer.