Generative Quantum-inspired Kolmogorov-Arnold Eigensolver
Yu-Cheng Lin, Yu-Chao Hsu, I-Shan Tsai, Chun-Hua Lin, Kuo-Chung Peng, Jiun-Cheng Jiang, Yun-Yuan Wang, Tzung-Chi Huang, Tai-Yue Li, Kuan-Cheng Chen, Samuel Yen-Chi Chen, Nan-Yow Chen
arXiv:2605.04604 · 2026-05-08 공개 · arXiv · PDF
Abstract
High-performance computing (HPC) is increasingly important for scalable quantum chemistry workflows that couple classical generative models, quantum circuit simulation, and selected configuration interaction postprocessing. We present the generative quantum-inspired Kolmogorov-Arnold eigensolver (GQKAE), a parameter-efficient extension of the generative quantum eigensolver (GQE) for quantum chemistry. GQKAE replaces the parameter-heavy feed-forward network components in GPT-style generative eigensolvers with hybrid quantum-inspired Kolmogorov-Arnold network modules, forming a compact HQKANsformer backbone. The method preserves autoregressive operator selection and the quantum-selected configuration interaction evaluation pipeline, while using single-qubit DatA Re-Uploading ActivatioN modules to provide expressive nonlinear mappings. Numerical benchmarks on H4, N2, LiH, C2H6, H2O, and the H2O dimer show that GQKAE achieves chemical accuracy comparable to the GPT-based GQE architecture, while reducing trainable parameters and memory by approximately 66% and improving wall-time performance. For strongly correlated systems such as N2 and LiH, GQKAE also improves convergence behavior and final energy errors. These results indicate that quantum-inspired Kolmogorov-Arnold networks can reduce classical-side overhead while preserving circuit-generation quality, offering a scalable route for HPC-quantum co-design on near-term quantum platforms.
한국어 요약
📋 한 줄 요약
**[양자/HPC]** GPT 기반 GQE의 FFN을 양자영감 Kolmogorov-Arnold 네트워크로 대체한 파라미터 효율적 양자화학 솔버 GQKAE를 제안한다.
🎯 핵심 기여도
- 생성형 양자 고유값 솔버(GQE)의 파라미터 효율적 확장인 GQKAE 제안
- GPT 스타일 FFN을 하이브리드 양자영감 KAN 모듈(HQKANsformer)로 대체
- 단일 큐비트 DARUAN(Data Re-Uploading Activation) 모듈로 표현력 있는 비선형 매핑 제공
- 학습 파라미터·메모리 약 66% 절감, wall-time 향상, 강한 상관 시스템에서 수렴·에너지 오차 개선
💡 핵심 아이디어
양자화학 워크플로우의 클래식 측 부담을 줄이기 위해, 자가회귀 연산자 선택·QSCI 평가 파이프라인은 유지하면서 무거운 FFN 부분만 양자영감 KAN으로 교체한다. KAN의 표현력과 데이터 재업로드 활성화를 결합해 더 작은 파라미터로 동등한 화학적 정확도를 달성한다.
🔬 기술적 접근법
- **모델/방법론**: HQKANsformer 백본 기반의 generative quantum-inspired Kolmogorov-Arnold eigensolver
- **핵심 기법**: 자가회귀 operator selection + Quantum-Selected Configuration Interaction 평가 + 단일 큐비트 DARUAN 비선형 매핑 + 하이브리드 양자영감 KAN 모듈
📊 주요 결과
- H4, N2, LiH, C2H6, H2O, H2O dimer 벤치마크에서 GPT 기반 GQE 수준의 화학적 정확도 달성
- 학습 파라미터 및 메모리 약 66% 감소, wall-time 성능 향상
- N2, LiH 등 강한 상관 시스템에서 수렴 거동과 최종 에너지 오차 모두 개선
💭 의의 및 한계
**의의**: HPC-양자 코디자인 관점에서 클래식 측 오버헤드를 줄여 NISQ 시대 양자화학 워크플로우의 실용성을 높임. **한계**: 평가 분자 종이 비교적 작고, 실제 양자 하드웨어 노이즈·확장성 평가는 후속 연구로 남음.
🚀 실용적 활용
- HPC 환경에서 양자화학 시뮬레이션의 메모리·연산 절감
- 강한 상관 분자 시스템의 정밀 에너지 계산
- NISQ 양자-클래식 하이브리드 알고리즘의 백본 설계 참고