Master's Thesis

Variational Quantum Algorithms

Final Thesis 1.84 MB

Author of thesis: Bc. Jan Michálek

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Mgr. Petr Vašík, Ph.D.

Reviewer: Mgr. Martin Friák, Ph.D.

Abstract:

The training efficiency of Variational Quantum Algorithms (VQAs) is fundamentally dictated by the geometry of their cost function landscapes, which can be formally analyzed by mapping these functions to random fields on manifolds. Instead of VQAs we can then directly study the corresponding random fields, in our case the Wishart Hypertoroidal Random Fields (WHRFs). We are especially interested in the distribution of critical points (especially local minima) of WHRFs. For this purpose, the Kac-Rice formula is presented, reformulated and simulated. The findings identify phase transition in the distribution of local minima. Beyond a specific threshold, local minima concentrate near the global minimum in function value, meaning that even local minima are good approximators of the global one. The threshold is governed by the ratio between the problem Hamiltonian degrees of freedom and by the number of independent parameters in the VQA. Since the degrees of freedom parameter scale exponentially we propose symmetry reduction operations to lower degrees of freedom and subsequently also the threshold for better trainability.

Keywords:

Generative quantum models, Variational quantum algorithms, Random fields, Kac-Rice formula

Date of defence

08.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student prezentoval práci, školitel přečetl svůj posudek, byl přečten posudek oponenta. Otázka oponenta týkající se vysvětlení "toy modelu" byla zodpovězena (neodpovídá žádnému konkrétnímu fyzikálnímu systému, ale může odpovídat jiným úlohám v kvantové chemii nebo optimalizaci). doc.Vašík: složitější případy Fermi-Hubbardova modelu - v budoucnu chceme uvažovat Heisenbergův model a jiné než lineární uspořádání (ideálně krystalové mřížky)

Language of thesis

English

Faculty

Department

Study programme

Mathematical Engineering (N-MAI-P)

Composition of Committee

doc. Mgr. Petr Vašík, Ph.D. (předseda)
doc. RNDr. Martin Kolář, Ph.D. (místopředseda)
prof. Aleksandre Lomtatidze, DrSc. (člen)
Ing. Ivan Eryganov, Ph.D. (člen)
Ing. Petra Rozehnalová, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
doc. Mgr. Petr Vašík, Ph.D.

Tématem této práce jsou variační kvantové algoritmy, což je samo o sobě multioborové téma s vysokou obtížností. Student navíc zpracoval mapování VQA na náhodná pole na uzavřených varietách, kde se mu podařila simulace takzvané přechodové fáze mezi nedotrénovaností a přeučením VQA v konečném modelu. Dřívější výsledky se zabývaly pouze limitním případem. Diplomová práce je základem pro článek, který byl zaslán k publikaci. 

Student pracoval samostatně a velmi příkladně. Zadání plnil vždy v termínu a nad rámec vymezených úkolů. Práce je psána velmi precizně a zodpovědně, navíc byla prezentována na SVOČ. Tento výzkum byl navíc podpořen i projektem Inter-Cost. Vzhledem k netriviálnímu vlastnímu přínosu, složitosti a aktuálnosti tématu, vzorné práci studenta a výbornému zpracování hodnotím práci stupněm A a doporučuji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Mgr. Martin Friák, Ph.D.

Předložená práce Bc. Jana Michálka se týká velmi aktuální tématiky, kterou je návrh obvodů variačních kvantových algoritmů pro kvantové počítače. Student řešený problém nejprve převádí na Wishartovo hypertoroidální náhodná pole a následně zkoumá distribuci lokálních minim. K tomuto účelu je přeformulována a numericky simulována Kac-Riceova rovnice. Dosažené výsledky ukazují fázový přechod v distribuci lokálních minim. Pro budoucí aplikace je velmi důležité využití symetrií fyzikálně motivovaného Hamiltoniánu, které je v práci také zmíněno (sekce 7), a velice podstatně snižuje počet parametrů obvodu. Práce je výborně textově a graficky zpracovaná s naprostým minimem chyb a velmi oceňuji, že je psaná v anglickém jazyce. Student v práci také skvěle pracuje s citovanou literaturou, kdy mírně sníženou známkou „velmi dobře“ hodnotím typografii, kdy je třeba si v BibTeX-u/LaTeX-u dát pozor na vysazení velkých písmen např. v názvech článků.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací B
Topics for thesis defence:
  1. Prosím studenta, aby vysvětlil tzv. "toy model", pro nějž jsou výsledky prezentovány na obrázku 6.3.

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová