[論文レビュー] An Efficient Methodology for Mapping Quantum Circuits to the IBM QX Architectures

Alwin Zulehner, Alexandru Paler+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 2017

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、深さベースの分割、先読み最適化、動的量子ビットマッピング初期化を活用した、IBM QXアーキテクチャへの量子回路マッピングのための効率的でA*に基づく手法を提案する。平均してゲート数を27.5%削減し、IBMのネイティブなQISKitマッピングと比較して、60件中10件でタイムアウトとなるIBMの問題を解決し、数秒でマッピングを達成した。

ABSTRACT

In the past years, quantum computers more and more have evolved from an academic idea to an upcoming reality. IBM's project IBM Q can be seen as evidence of this progress. Launched in March 2017 with the goal to provide access to quantum computers for a broad audience, this allowed users to conduct quantum experiments on a 5-qubit and, since June 2017, also on a 16-qubit quantum computer (called IBM QX2 and IBM QX3, respectively). Revised versions of these 5-qubit and 16-qubit quantum computers (named IBM QX4 and IBM QX5, respectively) are available since September 2017. In order to use these, the desired quantum functionality (e.g. provided in terms of a quantum circuit) has to be properly mapped so that the underlying physical constraints are satisfied - a complex task. This demands solutions to automatically and efficiently conduct this mapping process. In this paper, we propose a methodology which addresses this problem, i.e. maps the given quantum functionality to a realization which satisfies all constraints given by the architecture and, at the same time, keeps the overhead in terms of additionally required quantum gates minimal. The proposed methodology is generic, can easily be configured for similar future architectures, and is fully integrated into IBM's SDK. Experimental evaluations show that the proposed approach clearly outperforms IBM's own mapping solution. In fact, for many quantum circuits, the proposed approach determines a mapping to the IBM architecture within minutes, while IBM's solution suffers from long runtimes and runs into a timeout of 1 hour in several cases. As an additional benefit, the proposed approach yields mapped circuits with smaller costs (i.e. fewer additional gates are required). All implementations of the proposed methodology is publicly available at http://iic.jku.at/eda/research/ibm_qx_mapping.

研究の動機と目的

• 物理的制約（例えば、CNOTゲートの接続制限）の下で、量子回路をIBM QXアーキテクチャにマッピングする課題に対処すること。
• マッピング中に追加ゲート（例：SWAP）が導入されることによるオーバーヘッドを低減し、回路の忠実度と実行時間を劣化させないこと。
• 既存のツール（例：IBMのQISKit）を上回る速度と回路品質を実現する、スケーラブルで汎用的かつ効率的なマッピングソリューションを開発すること。
• IBMのQISKit SDKへの統合を通じて、現実的なパフォーマンス評価と広範な採用を可能にすること。

提案手法

• 深さベースの分割を用いて、量子回路を管理可能なセグメントに分割し、マッピングのための探索空間を縮小する。
• カスタムヒューリスティクスを用いたA*探索アルゴリズムを採用し、追加ゲート数を最小限に抑えつつ、有効な量子ビットマッピングを効率的に探索する。
• 先読みスキームを用いて、将来の制約を予測し、プロセスの初期段階でより有望なマッピングへと探索を誘導する。
• 初期の量子ビットマッピングは開始時に固定されず、探索中に動的に決定されるため、ソリューションの品質と適応性が向上する。
• IBMのQISKit SDKとシームレスに統合可能であり、IBMのネイティブマッピングおよびマッピング後の最適化と一貫した比較が可能になる。
• このフレームワークは汎用的であり、同様の接続制約を有する将来のIBM QXに類似したアーキテクチャに対しても容易に適応可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 システム的で探索ベースのアプローチは、IBM QXアーキテクチャにおいて、ランダムまたはヒューリスティックベースのマッピングと比較して、ゲート数と実行時間の点で優れていると言えるか？
• RQ2 動的量子ビットマッピング初期化は、量子回路マッピングの品質と効率にどのように影響を与えるか？
• RQ3 深さベースの分割と先読み技術は、探索空間をどれほど縮小し、マッピングのスケーラビリティをどれほど向上させられるか？
• RQ4 提案手法は、QISKitのような既存の量子ソフトウェアスタックに効果的に統合可能であり、互換性とパフォーマンスを維持できるか？

主な発見

• 提案手法は60件のベンチマーク回路をすべてIBM QX5に数秒でマッピングしたが、IBMのQISKitソリューションは10件で1時間のタイムアウトとなった。
• 平均して、IBMの平均結果と比較して27.5%、IBMの最良結果（最小値）と比較して24.0%のゲート数削減を達成した。
• 回路の深さについて、IBMの平均結果と比較して平均22.0%、IBMの最良結果と比較して18.3%の削減を達成した。
• 著しく高速化が実現され、実行時間は常に1分未満であったのに対し、IBMのソリューションは頻繁に1時間のタイムアウトを超えた。
• QISKitへの統合により、公平な比較が可能となり、改善効果がマッピングロジック由来であることが確認された。
• この手法は汎用的で再利用可能であり、同様の接続制約を有する将来のIBM QXに類似したアーキテクチャに対しても適用可能である。