[論文レビュー] Architectures for Multinode Superconducting Quantum Computers

James S. Ang, G. Carini+31 more|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2022

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 21

ひとこと要約

本論文は、マイクロ波-to-光学インターコネクトを用いた多ノード超導量子コンピュータ（MNQC）の定量化と最適化を目的とした共設計フレームワークを開発する。層状のMNQCネットワークスタックと、internode、ローカル、および circuit-cut コストを評価し、ハードウェアとソフトウェアの共設計を導く3つのモデル（GAP、Q-Roofline、QCPA）を導入する。

ABSTRACT

Many proposals to scale quantum technology rely on modular or distributed designs where individual quantum processors, called nodes, are linked together to form one large multinode quantum computer (MNQC). One scalable method to construct an MNQC is using superconducting quantum systems with optical interconnects. However, a limiting factor of these machines will be internode gates, which may be two to three orders of magnitude noisier and slower than local operations. Surmounting the limitations of internode gates will require a range of techniques, including improvements in entanglement generation, the use of entanglement distillation, and optimized software and compilers, and it remains unclear how improvements to these components interact to affect overall system performance, what performance from each is required, or even how to quantify the performance of each. In this paper, we employ a `co-design' inspired approach to quantify overall MNQC performance in terms of hardware models of internode links, entanglement distillation, and local architecture. In the case of superconducting MNQCs with microwave-to-optical links, we uncover a tradeoff between entanglement generation and distillation that threatens to degrade performance. We show how to navigate this tradeoff, lay out how compilers should optimize between local and internode gates, and discuss when noisy quantum links have an advantage over purely classical links. Using these results, we introduce a roadmap for the realization of early MNQCs which illustrates potential improvements to the hardware and software of MNQCs and outlines criteria for evaluating the landscape, from progress in entanglement generation and quantum memory to dedicated algorithms such as distributed quantum phase estimation. While we focus on superconducting devices with optical interconnects, our approach is general across MNQC implementations.

研究の動機と目的

• ノード間リンク、エンタングルメント蒸留、ローカルアーキテクチャのハードウェアモデルを用いてMNQCの性能を定量化する。
• アルゴリズム性能に対するエンタングルメント生成と蒸留のトレードオフを分析する。
• MNQCにおけるローカルゲート、ノード間ゲート、および回路分割のバランスを取るモデルを開発する。
• MNQC性能を最適化するためのハードウェアとソフトウェアの共設計ロードマップを提案する。

提案手法

• 物理層、蒸留層、データ層からなる層状のMNQCネットワークスタックを導入し、ノード間リンクのモデル化を簡素化する。
• GAPモデル（Gate-Algorithm Performance）を開発し、アルゴリズムの要求に対するノード間ゲート性能を評価する。
• 量子ルーフライン（Q-Roofline）モデルを作成し、ノード間ゲートのコストと局所計算を比較し、コンパイラの意思決定を導く。
• QCPA（Quantum vs. Classical Performance Analysis）を定義し、エラー緩和されたノード間リンクと回路分割リンクを比較する。
• エンタングルメント生成、蒸留、ポンプ電力、エラー緩和の間のトレードオフを示すため、代表的なハードウェアをシミュレートする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ノード間リンク hardwareparameters（生成率、 fidelity）と蒸留手順がMNQCアルゴリズム性能にどう影響するか？
• RQ2 ハードウェアの制約を考慮した場合、ローカル計算、ノード間ゲート、回路分割の最適なバランスは何か？
• RQ3 エンタングルメント生成–蒸留のトレードオフをナビゲートするために、コンパイラとソフトウェア戦略はどのようにしてMNQCの性能を最大化できるか？
• RQ4 ノイズのある量子ノード間リンクは、ノイズの少ない純粋な古典的回路分割リンクよりも優れているのはいつか、あるいは全くないのか？

主な発見

• M2Oインターリンクを用いたMNQCにおいて、実行時間とノード間ゲートの忠実度にはトレードオフが存在する。
• GAP、Q-Roofline、およびQCPAのフレームワークは、エンタングルメント生成、蒸留、およびポンプ電力の改善がアルゴリズム性能にどう結びつくかを定量化する。
• 分析は、コンパイラが全体の性能を最適化するためにローカルゲートとノード間ゲートをどうバランスすべきかを示す。
• 本論文は、エンタングルメント生成、蒸留、メモリ使用、分散アルゴリズム（例：分散量子位相推定）などの改善を評価するための研究ロードマップと基準を提示する。