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Alleviating the Sparse Matrix Scaling Bottleneck in Adaptive VQE via High-Order Taylor State Evolution

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Le résumé fourni par la source

The Variational Quantum Eigensolver (VQE) is a leading algorithm for noisy intermediate-scale quantum (NISQ) devices, but its adaptive variants (e.g., ADAPT-VQE) suffer from severe classical simulation bottlenecks during the ansatz growth phase. Representing and exponentiating pool operators for multi-qubit systems constructs massive sparse matrices that quickly scale to millions of elements, choking classical memory bandwidth and CPU/GPU cycle capacity. In this work, we present a resource-efficient software-layer framework that completely bypasses dense matrix exponentiation by evaluating state updates through a deterministic fifth-order (O(5)) Taylor series expansion. This approach reframes the costly unitary evolution into a chained sequence of five lightweight, successive sparse matrix-vector multiplications scaling strictly as O(Nz), where Nz is the number of non-zero elements. We validate our framework using equilibrium BeH2 (14 qubits), equilibrium H2O (12 qubits), and strongly correlated asymmetrically stretched H2O molecular profiles under both Jordan-Wigner (JW) and Bravyi-Kitaev (BK) transformations. The simulation results demonstrate that the O(5) truncation maintains exceptional numerical fidelity, retaining a state fidelity > 0.999999 and matching absolute ground state energies down to subchemical accuracy, while effortlessly navigating matrix spaces exceeding 268 million structural elements. This framework provides a scalable, high-performance pathway for executing deep variational simulations on hardware platforms with constrained computational budgets.

Ce résumé expose les affirmations des auteurs. BNTIC ne l’interprète pas comme une validation indépendante des résultats.

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