Recently, adaptive variational quantum algorithms, e.g., Adaptive Derivative-Assembled Pseudo-Trotter-Variational Quantum Eigensolver (ADAPT-VQE) and Iterative Qubit-Excitation Based-Variational Quantum Eigensolver (IQEB-VQE), have been proposed to optimize the circuit depth, while a huge number of additional measurements make these algorithms highly inefficient. In this work, we reformulate the ADAPT-VQE with reduced density matrices (RDMs) to avoid additional measurement overhead. With Valdemoro’s reconstruction of the three-electron RDM, we present a revised ADAPT-VQE algorithm, termed ADAPT-V, without any additional measurements but at the cost of increasing variational parameters compared to the ADAPT-VQE. Furthermore, we present an ADAPT-Vx algorithm by prescreening the anti-Hermitian operator pool with this RDM-based scheme. ADAPT-Vx requires almost the same variational parameters as ADAPT-VQE but a significantly reduced number of gradient evaluations. Numerical benchmark calculations for small molecules demonstrate that ADAPT-V and ADAPT-Vx provide an accurate description of the ground- and excited-state potential energy curves. In addition, to minimize the quantum resource demand, we generalize this RDM-based scheme to circuit-efficient IQEB-VQE algorithm and achieve significant measurement reduction.

1.
A.
Aspuru-Guzik
,
A. D.
Dutoi
,
P. J.
Love
, and
M.
Head-Gordon
,
Science
309
,
1704
(
2005
).
2.
J.
Du
,
N.
Xu
,
X.
Peng
,
P.
Wang
,
S.
Wu
, and
D.
Lu
,
Phys. Rev. Lett.
104
,
030502
(
2010
).
3.
A.
Peruzzo
,
J.
McClean
,
P.
Shadbolt
,
M.-H.
Yung
,
X.-Q.
Zhou
,
P. J.
Love
,
A.
Aspuru-Guzik
, and
J. L.
O’Brien
,
Nat. Commun.
5
,
4213
(
2014
).
4.
P. J. J.
O’Malley
,
R.
Babbush
,
I. D.
Kivlichan
,
J.
Romero
,
J. R.
McClean
,
R.
Barends
,
J.
Kelly
,
P.
Roushan
,
A.
Tranter
,
N.
Ding
,
B.
Campbell
,
Y.
Chen
,
Z.
Chen
,
B.
Chiaro
,
A.
Dunsworth
,
A. G.
Fowler
,
E.
Jeffrey
,
E.
Lucero
,
A.
Megrant
,
J. Y.
Mutus
,
M.
Neeley
,
C.
Neill
,
C.
Quintana
,
D.
Sank
,
A.
Vainsencher
,
J.
Wenner
,
T. C.
White
,
P. V.
Coveney
,
P. J.
Love
,
H.
Neven
,
A.
Aspuru-Guzik
, and
J. M.
Martinis
,
Phys. Rev. X
6
,
031007
(
2016
).
5.
A.
Kandala
,
A.
Mezzacapo
,
K.
Temme
,
M.
Takita
,
M.
Brink
,
J. M.
Chow
, and
J. M.
Gambetta
,
Nature
549
,
242
(
2017
).
6.
C.
Hempel
,
C.
Maier
,
J.
Romero
,
J.
McClean
,
T.
Monz
,
H.
Shen
,
P.
Jurcevic
,
B. P.
Lanyon
,
P.
Love
,
R.
Babbush
,
A.
Aspuru-Guzik
,
R.
Blatt
, and
C. F.
Roos
,
Phys. Rev. X
8
,
031022
(
2018
).
7.
F.
Arute
,
K.
Arya
,
R.
Babbush
,
D.
Bacon
,
J. C.
Bardin
,
R.
Barends
,
S.
Boixo
,
M.
Broughton
,
B. B.
Buckley
,
D. A.
Buell
,
B.
Burkett
,
N.
Bushnell
,
Y.
Chen
,
Z.
Chen
,
B.
Chiaro
,
R.
Collins
,
W.
Courtney
,
S.
Demura
,
A.
Dunsworth
,
E.
Farhi
,
A.
Fowler
,
B.
Foxen
,
C.
Gidney
,
M.
Giustina
,
R.
Graff
,
S.
Habegger
,
M. P.
Harrigan
,
A.
Ho
,
S.
Hong
,
T.
Huang
,
W. J.
Huggins
,
L.
Ioffe
,
S. V.
Isakov
,
E.
Jeffrey
,
Z.
Jiang
,
C.
Jones
,
D.
Kafri
,
K.
Kechedzhi
,
J.
Kelly
,
S.
Kim
,
P. V.
Klimov
,
A.
Korotkov
,
F.
Kostritsa
,
D.
Landhuis
,
P.
Laptev
,
M.
Lindmark
,
E.
Lucero
,
O.
Martin
,
J. M.
Martinis
,
J. R.
McClean
,
M.
McEwen
,
A.
Megrant
,
X.
Mi
,
M.
Mohseni
,
W.
Mruczkiewicz
,
J.
Mutus
,
O.
Naaman
,
M.
Neeley
,
C.
Neill
,
H.
Neven
,
M. Y.
Niu
,
T. E.
O’Brien
,
E.
Ostby
,
A.
Petukhov
,
H.
Putterman
,
C.
Quintana
,
P.
Roushan
,
N. C.
Rubin
,
D.
Sank
,
K. J.
Satzinger
,
V.
Smelyanskiy
,
D.
Strain
,
K. J.
Sung
,
M.
Szalay
,
T. Y.
Takeshita
,
A.
Vainsencher
,
T.
White
,
N.
Wiebe
,
Z. J.
Yao
,
P.
Yeh
, and
A.
Zalcman
,
Science
369
,
1084
(
2020
).
9.
Y.
Cao
,
J.
Romero
,
J. P.
Olson
,
M.
Degroote
,
P. D.
Johnson
,
M.
Kieferová
,
I. D.
Kivlichan
,
T.
Menke
,
B.
Peropadre
,
N. P. D.
Sawaya
,
S.
Sim
,
L.
Veis
, and
A.
Aspuru-Guzik
,
Chem. Rev.
119
,
10856
(
2019
).
10.
S.
McArdle
,
S.
Endo
,
A.
Aspuru-Guzik
,
S. C.
Benjamin
, and
X.
Yuan
,
Rev. Mod. Phys.
92
,
015003
(
2020
).
11.
J. D.
Whitfield
,
J.
Biamonte
, and
A.
Aspuru-Guzik
,
Mol. Phys.
109
,
735
(
2011
).
12.
J. R.
McClean
,
J.
Romero
,
R.
Babbush
, and
A.
Aspuru-Guzik
,
New J. Phys.
18
,
023023
(
2016
).
13.
J.
Romero
,
R.
Babbush
,
J. R.
McClean
,
C.
Hempel
,
P. J.
Love
, and
A.
Aspuru-Guzik
,
Quantum Sci. Technol.
4
,
014008
(
2018
).
14.
J. R.
McClean
,
M. E.
Kimchi-Schwartz
,
J.
Carter
, and
W. A.
de Jong
,
Phys. Rev. A
95
,
042308
(
2017
).
15.
J. I.
Colless
,
V. V.
Ramasesh
,
D.
Dahlen
,
M. S.
Blok
,
M. E.
Kimchi-Schwartz
,
J. R.
McClean
,
J.
Carter
,
W. A.
de Jong
, and
I.
Siddiqi
,
Phys. Rev. X
8
,
011021
(
2018
).
16.
Y.
Shen
,
X.
Zhang
,
S.
Zhang
,
J.-N.
Zhang
,
M.-H.
Yung
, and
K.
Kim
,
Phys. Rev. A
95
,
020501
(
2017
).
17.
J.
Lee
,
W. J.
Huggins
,
M.
Head-Gordon
, and
K. B.
Whaley
,
J. Chem. Theory Comput.
15
,
311
(
2019
).
18.
B.
Cooper
and
P. J.
Knowles
,
J. Chem. Phys.
133
,
234102
(
2010
).
19.
R.
Xia
and
S.
Kais
,
Quantum Sci. Technol.
6
,
015001
(
2020
).
20.
I. G.
Ryabinkin
,
T.-C.
Yen
,
S. N.
Genin
, and
A. F.
Izmaylov
,
J. Chem. Theory Comput.
14
,
6317
(
2018
).
21.
I. G.
Ryabinkin
,
R. A.
Lang
,
S. N.
Genin
, and
A. F.
Izmaylov
,
J. Chem. Theory Comput.
16
,
1055
(
2020
).
22.
23.
P.
Piecuch
,
K.
Kowalski
,
P.-D.
Fan
, and
K.
Jedziniak
,
Phys. Rev. Lett.
90
,
113001
(
2003
).
24.
E. R.
Davidson
,
Phys. Rev. Lett.
91
,
123001
(
2003
).
26.
H. R.
Grimsley
,
S. E.
Economou
,
E.
Barnes
, and
N. J.
Mayhall
,
Nat. Commun.
10
,
3007
(
2019
).
27.
H. L.
Tang
,
V. O.
Shkolnikov
,
G. S.
Barron
,
H. R.
Grimsley
,
N. J.
Mayhall
,
E.
Barnes
, and
S. E.
Economou
,
PRX Quantum
2
,
020310
(
2021
).
28.
Y. S.
Yordanov
,
V.
Armaos
,
C. H. W.
Barnes
, and
D. R. M.
Arvidsson-Shukur
, arXiv:2011.10540 [quant-ph] (
2020
).
29.
D. A.
Mazziotti
,
Phys. Rev. Lett.
97
,
143002
(
2006
).
30.
D. A.
Mazziotti
,
Phys. Rev. A
75
,
022505
(
2007
).
31.
S. E.
Smart
and
D. A.
Mazziotti
,
Phys. Rev. Lett.
126
,
070504
(
2021
).
32.
F.
Colmenero
,
C.
Pérez del Valle
, and
C.
Valdemoro
,
Phys. Rev. A
47
,
971
(
1993
).
33.
F.
Colmenero
and
C.
Valdemoro
,
Phys. Rev. A
47
,
979
(
1993
).
34.
F.
Colmenero
and
C.
Valdemoro
,
Int. J. Quantum Chem.
51
,
369
(
1994
).
35.
H. R.
Grimsley
,
D.
Claudino
,
S. E.
Economou
,
E.
Barnes
, and
N. J.
Mayhall
,
J. Chem. Theory Comput.
16
,
1
(
2020
).
36.
G.
Ortiz
,
J. E.
Gubernatis
,
E.
Knill
, and
R.
Laflamme
,
Phys. Rev. A
64
,
022319
(
2001
).
37.
M.
Schuld
,
V.
Bergholm
,
C.
Gogolin
,
J.
Izaac
, and
N.
Killoran
,
Phys. Rev. A
99
,
032331
(
2019
).
38.
J. S.
Kottmann
,
A.
Anand
, and
A.
Aspuru-Guzik
,
Chem. Sci.
12
,
3497
(
2021
).
39.
V.
Verteletskyi
,
T.-C.
Yen
, and
A. F.
Izmaylov
,
J. Chem. Phys.
152
,
124114
(
2020
).
40.
X.
Bonet-Monroig
,
R.
Babbush
, and
T. E.
O’Brien
,
Phys. Rev. X
10
,
031064
(
2020
).
41.
A.
Zhao
,
A.
Tranter
,
W. M.
Kirby
,
S. F.
Ung
,
A.
Miyake
, and
P. J.
Love
,
Phys. Rev. A
101
,
062322
(
2020
).
42.
A.
Ralli
,
P.
Love
,
A.
Tranter
, and
P.
Coveney
, arXiv:2012.02765 [quant-ph] (
2020
).
44.
D. A.
Mazziotti
,
Chem. Phys. Lett.
289
,
419
(
1998
).
45.
D. A.
Mazziotti
,
Chem. Phys. Lett.
326
,
212
(
2000
).
46.
D. A.
Mazziotti
,
Phys. Rev. A
69
,
012507
(
2004
).
47.
W.
Kutzelnigg
and
D.
Mukherjee
,
J. Chem. Phys.
110
,
2800
(
1999
).
48.
W.
Kutzelnigg
and
D.
Mukherjee
,
J. Chem. Phys.
120
,
7350
(
2004
).
49.
H.
Nakatsuji
and
K.
Yasuda
,
Phys. Rev. Lett.
76
,
1039
(
1996
).
50.
D. A.
Mazziotti
,
Phys. Rev. A
60
,
3618
(
1999
).
51.
A.
Dreuw
and
M.
Head-Gordon
,
Chem. Rev.
105
,
4009
(
2005
).
52.
Y.-H.
Kim
and
A.
Görling
,
Phys. Rev. Lett.
89
,
096402
(
2002
).
53.
H.
Wang
,
S.
Kais
,
A.
Aspuru-Guzik
, and
M. R.
Hoffmann
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
10
,
5388
(
2008
).
54.
S.
Kais
, “
Introduction to quantum information and computation for chemistry
,” in
Quantum Information and Computation for Chemistry
(
John Wiley & Sons, Ltd.
,
2014
), Chap. 1, pp.
1
38
.
55.
L. W.
Wang
and
A.
Zunger
,
J. Chem. Phys.
100
,
2394
(
1994
).
56.
R.
Santagati
,
J.
Wang
,
A. A.
Gentile
,
S.
Paesani
,
N.
Wiebe
,
J. R.
McClean
,
S.
Morley-Short
,
P. J.
Shadbolt
,
D.
Bonneau
,
J. W.
Silverstone
,
D. P.
Tew
,
X.
Zhou
,
J. L.
O’Brien
, and
M. G.
Thompson
,
Sci. Adv.
4
,
eaap9646
(
2018
).
57.
O.
Higgott
,
D.
Wang
, and
S.
Brierley
,
Quantum
3
,
156
(
2019
).
58.
T.
Jones
,
S.
Endo
,
S.
McArdle
,
X.
Yuan
, and
S. C.
Benjamin
,
Phys. Rev. A
99
,
062304
(
2019
).
59.
T.-C.
Yen
,
V.
Verteletskyi
, and
A. F.
Izmaylov
,
J. Chem. Theory Comput.
16
,
2400
(
2020
).
60.
T.-C.
Yen
and
A. F.
Izmaylov
, arXiv:2007.01234 [quant-ph] (
2020
).
61.
W. J.
Huggins
,
J.
McClean
,
N.
Rubin
,
Z.
Jiang
,
N.
Wiebe
,
K. B.
Whaley
, and
R.
Babbush
,
npj Quantum Inf.
7
,
23
(
2021
).
62.
O.
Crawford
,
B. v.
Straaten
,
D.
Wang
,
T.
Parks
,
E.
Campbell
, and
S.
Brierley
,
Quantum
5
,
385
(
2021
).
64.
J. R.
McClean
,
K. J.
Sung
,
I. D.
Kivlichan
,
Y.
Cao
,
C.
Dai
,
E. S.
Fried
,
C.
Gidney
,
B.
Gimby
,
P.
Gokhale
,
T.
Häner
,
T.
Hardikar
,
V.
Havlíček
,
O.
Higgott
,
C.
Huang
,
J.
Izaac
,
Z.
Jiang
,
X.
Liu
,
S.
McArdle
,
M.
Neeley
,
T.
O’Brien
,
B.
O’Gorman
,
I.
Ozfidan
,
M. D.
Radin
,
J.
Romero
,
N.
Rubin
,
N. P. D.
Sawaya
,
K.
Setia
,
S.
Sim
,
D. S.
Steiger
,
M.
Steudtner
,
Q.
Sun
,
W.
Sun
,
D.
Wang
,
F.
Zhang
, and
R.
Babbush
,
Quantum Sci. Technol.
5
,
034014
(
2020
).
65.
Q.
Sun
,
T. C.
Berkelbach
,
N. S.
Blunt
,
G. H.
Booth
,
S.
Guo
,
Z.
Li
,
J.
Liu
,
J. D.
McClain
,
E. R.
Sayfutyarova
,
S.
Sharma
,
S.
Wouters
, and
G. K.-L.
Chan
,
Wiley Interdiscip. Rev.: Comput. Mol. Sci.
8
,
e1340
(
2018
).
66.
P.
Virtanen
,
R.
Gommers
,
T. E.
Oliphant
,
M.
Haberland
,
T.
Reddy
,
D.
Cournapeau
,
E.
Burovski
,
P.
Peterson
,
W.
Weckesser
,
J.
Bright
,
S. J.
van der Walt
,
M.
Brett
,
J.
Wilson
,
K.
Jarrod Millman
,
N.
Mayorov
,
A. R. J.
Nelson
,
E.
Jones
,
R.
Kern
,
E.
Larson
,
C.
Carey
,
İ.
Polat
,
Y.
Feng
,
E. W.
Moore
,
J.
VanderPlas
,
D.
Laxalde
,
J.
Perktold
,
R.
Cimrman
,
I.
Henriksen
,
E. A.
Quintero
,
C. R.
Harris
,
A. M.
Archibald
,
A. H.
Ribeiro
,
F.
Pedregosa
,
P.
van Mulbregt
, and
SciPy 1.0 Contributors
,
Nat. Methods
17
,
261
(
2020
).
67.
A. R.
Welden
,
A. A.
Rusakov
, and
D.
Zgid
,
J. Chem. Phys.
145
,
204106
(
2016
).
68.
A. A.
Rusakov
and
D.
Zgid
,
J. Chem. Phys.
144
,
054106
(
2016
).
69.
M.
Motta
,
C.
Genovese
,
F.
Ma
,
Z.-H.
Cui
,
R.
Sawaya
,
G. K.-L.
Chan
,
N.
Chepiga
,
P.
Helms
,
C.
Jimenez-Hoyos
,
A. J.
Millis
,
U.
Ray
,
E.
Ronca
,
H.
Shi
,
S.
Sorella
,
E. M.
Stoudenmire
,
S. R.
White
, and
S.
Zhang
,
Phys. Rev. X
10
,
031058
(
2020
).
70.
Y.
Liu
,
T.
Shen
,
H.
Zhang
, and
B.
Rubenstein
,
J. Chem. Theory Comput.
16
,
4298
(
2020
).
71.
P. E. M.
Siegbahn
,
Int. J. Quantum Chem.
23
,
1869
(
1983
).
72.
J.
Ma
,
S.
Li
, and
W.
Li
,
J. Comput. Chem.
27
,
39
(
2006
).
73.
S. B.
Bravyi
and
A. Y.
Kitaev
,
Ann. Phys.
298
,
210
(
2002
).
74.
D. A.
Mazziotti
,
Phys. Rev. A
102
,
030802
(
2020
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.