[論文レビュー] Advanced Simulation of Quantum Computations: Compact Representation Rather than Hardware Power.

Alwin Zulehner, Robert Wille|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2017

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、量子状態および量子操作のより深い構造的再帰的冗長性を活用することで、量子計算のグラフベースのシミュレーション手法を提案する。第一原理から量子状態の表現を見直すことで、従来のアレイベースおよびグラフベースのシミュレーターよりも数個のオーダーの性能向上を達成し、最大30+キュービットのより大きな量子回路のシミュレーションが可能になる。

ABSTRACT

Quantum computation is a promising emerging technology which, compared to conventional computation, allows for substantial speed-ups e.g. for integer factorization or database search. However, since physical realizations of quantum computers are in their infancy, a significant amount of research in this domain still relies on simulations of quantum computations on conventional machines. This causes a significant complexity which current state-of-the-art simulators try to tackle with a rather straight forward array-based representation and by applying massive hardware power. There also exist solutions based on decision diagrams (i.e. graph-based approaches) that try to tackle the exponential complexity by exploiting redundancies in quantum states and operations. However, these existing approaches do not fully exploit redundancies that are actually present. In this work, we revisit the basics of quantum computation, investigate how corresponding quantum states and quantum operations can be represented even more compactly, and, eventually, simulated in a more efficient fashion. This leads to a new graph-based simulation approach which outperforms state-of-the-art simulators (array-based as well as graph-based). Experimental evaluations show that the proposed solution is capable of simulating quantum computations for more qubits than before, and in significantly less run-time (several magnitudes faster compared to previously proposed simulators). An implementation of the proposed simulator is publicly available online at this http URL.

研究の動機と目的

• 古典的ハードウェア上で量子計算をシミュレートする際の指数的複雑性に対処すること。
• 巨大なハードウェアを必要とする既存のシミュレーターや、量子状態の冗長性を部分的にしか活用しない既存の制限を克服すること。
• グラフベースの構造を用いて、量子状態および操作のよりコンactで効率的な表現を開発すること。
• 従来の制限を超えて、より大きな量子回路のシミュレーションを著しく短時間で実現すること。

提案手法

• 量子計算の基礎的原則を再考し、量子状態および操作の表現においてこれまで見過ごされていた再帰的冗長性を同定する。
• 構造的対称性および再帰的冗長性を活用して、量子状態およびユニタリ操作をコンactに符号化する新しいグラフベースのデータ構造を導入する。
• 明示的なアレイ格納を回避する記号的処理フレームワークを採用し、メモリ使用量を削減するとともに計算効率を向上させる。
• シミュレーション中に表現のサイズを最小限に抑えるために、高度なグラフ圧縮技術を用いる。
• 完全な状態ベクトルの更新を回避するため、コンパクトなグラフ構造上で直接量子操作を実行するシミュレーションエンジンを設計する。
• 動的再編成および正規化を最適化することで、さらに再帰的冗長性を低減する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 基礎的表現を再考することで、量子状態および操作の表現を著しくコンactにできるか？
• RQ2 メモリおよび実行時間の効率性において、グラフベースの表現はアレイベースのシミュレーターよりもどれほど優れているか？
• RQ3 既存のシミュレータがまだ十分に活用していない、量子状態および操作における構造的再帰的冗長性は何か？
• RQ4 新しいグラフベースのシミュレーションフレームワークにより、従来不可能であったより大きな量子回路のシミュレーションが可能になるか？
• RQ5 多様な種類の量子回路に対して、提案手法は最新のシミュレーターよりもどれほどスケーリング性能に優れているか？

主な発見

• 提案されたシミュレータは、従来の最新のアレイベースおよびグラフベースのシミュレーターよりも、数個のオーダーの高速化を達成した。
• この手法は最大30+キュービットの量子回路を正常にシミュレートでき、従来のシミュレーターよりも高い能力を有している。
• グラフベースの表現により、従来のアプローチが捉えられなかったより深い構造的再帰的冗長性を活用して、メモリ使用量を削減した。
• シミュレータは優れたスケーラビリティを示し、複雑でエンタングルされた量子回路に対しても高い性能を維持した。
• オープンソースの実装が公開されており、再現性およびコミュニティによる採用が可能である。