[論文レビュー] A Case for Variability-Aware Policies for NISQ-Era Quantum Computers

Swamit Tannu, Moinuddin K. Qureshi|arXiv (Cornell University)|May 25, 2018

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 26被引用数 49

ひとこと要約

本論文はNISQデバイス上の量子ビットとリンクのエラーレートのばらつきを調査し、弱い量子ビット/リンクを避けることで信頼性を向上させる変動対応の量子ビット移動および割り当てポリシーを提案する。

ABSTRACT

Recently, IBM, Google, and Intel showcased quantum computers ranging from 49 to 72 qubits. While these systems represent a significant milestone in the advancement of quantum computing, existing and near-term quantum computers are not yet large enough to fully support quantum error-correction. Such systems with few tens to few hundreds of qubits are termed as Noisy Intermediate Scale Quantum computers (NISQ), and these systems can provide benefits for a class of quantum algorithms. In this paper, we study the problems of Qubit-Allocation (mapping of program qubits to machine qubits) and Qubit-Movement(routing qubits from one location to another to perform entanglement). We observe that there exists variation in the error rates of different qubits and links, which can have an impact on the decisions for qubit movement and qubit allocation. We analyze characterization data for the IBM-Q20 quantum computer gathered over 52 days to understand and quantify the variation in the error-rates and find that there is indeed significant variability in the error rates of the qubits and the links connecting them. We define reliability metrics for NISQ computers and show that the device variability has the substantial impact on the overall system reliability. To exploit the variability in error rate, we propose Variation-Aware Qubit Movement (VQM) and Variation-Aware Qubit Allocation (VQA), policies that optimize the movement and allocation of qubits to avoid the weaker qubits and links and guide more operations towards the stronger qubits and links. We show that our Variation-Aware policies improve the reliability of the NISQ system up to 2.5x.

研究の動機と目的

• NISQ時代の量子計算における量子ビットのエラーレートのばらつきを考慮する必要性を動機づける。
• IBM-Q20データを用いて、52日間に収集した量子ビットとリンクのエラーレートのばらつきを特徴づける。
• NISQデバイスの信頼性指標を定義し、ばらつきがシステム信頼性に与える影響を定量化する。
• 信頼性を向上させるための変動対応の量子ビット移動および量子ビット割り当てポリシーを提案・評価する。

提案手法

• IBM-Q20の特性データを52日間分析して、量子ビットとリンクのエラーレートのばらつきを定量化する。
• デバイスのばらつきがNISQシステムに与える影響を評価する信頼性指標を定義する。
• エンタングルメント操作時に弱い量子ビット/リンクを避けるためのVariation-Aware Qubit Movement (VQM)ポリシーを開発する。
• プログラム量子ビットをより強い量子ビット/リンクへ割り当てるVariation-Aware Qubit Allocation (VQA)ポリシーを開発する。
• 信頼性の改善を比較してポリシーを評価し、最大で2.5xの改善を報告する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実際のIBM-Q20デバイスで、時間とともに量子ビットとリンクのエラーレートはどれだけばらつくか？
• RQ2 このばらつきを考慮した移動および割り当てポリシーはNISQの信頼性を向上させることができるか？
• RQ3 ベースラインポリシーと比較して、変動対応戦略を適用することで得られる潜在的な信頼性向上はどれくらいか？

主な発見

• 52日間にわたりIBM-Q20の量子ビットとリンク間のエラーレートには顕著なばらつきがある。
• デバイスのばらつきは全体のシステム信頼性に著しい影響を与える。
• Variation-aware qubit movement (VQM) および Variation-aware qubit allocation (VQA) は信頼性を改善し、最大で2.5xの改善を達成する。