[論文レビュー] Classical Simulation of Intermediate-Size Quantum Circuits

Jianxin Chen, Fang Zhang+3 more|arXiv (Cornell University)|May 3, 2018

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 75

ひとこと要約

本論文は一般的な量子回路の分散古典シミュレータを提示し、中サイズの回路のシミュレーションの新たな障壁を達成するとともに、低深さのランダム回路で量子優越性を達成することが難しい可能性を示唆している。Alibabaのクラスター上でのスピードアップを実証し、現実的なノイズ下での量子優位性への影響を分析している。

ABSTRACT

We introduce a distributed classical simulation algorithm for general quantum circuits, and present numerical results for calculating the output probabilities of universal random circuits. We find that we can simulate more qubits to greater depth than previously reported using the cluster supported by the Data Infrastructure and Search Technology Division of the Alibaba Group. For example, computing a single amplitude of an $8 imes 8$ qubit circuit with depth $40$ was previously beyond the reach of supercomputers. Our algorithm can compute this within $2$ minutes using a small portion ($\approx$ 14% of the nodes) of the cluster. Furthermore, by successfully simulating quantum supremacy circuits of size $9 imes 9 imes 40$, $10 imes 10 imes 35 $, $11 imes 11 imes 31$, and $12 imes 12 imes 27 $, we give evidence that noisy random circuits with realistic physical parameters may be simulated classically. This suggests that either harder circuits or error-correction may be vital for achieving quantum supremacy from random circuit sampling.

研究の動機と目的

• NISQ時代において古典的シミュレーションの境界を拡大させることで、量子プロセッサの検証を動機づけ、可能にする。
• クラスタに適したテンソルネットワークベースのシミュレーターを開発し、単一振幅を効率的に計算する。
• グラフベースの木幅と主要変数に対する並列化がシミュレーション実現性に与える影響を検討する。
• 現実的なノイズ仮定の下でランダム回路サンプリングを検証することによる量子優越性への影響を評価する。

提案手法

• 変数消去に基づくテンソルネットワークの収縮をクラスタ環境へ適応し、木幅を主な複雑さの要因として焦点を当てる。
• 任意の回路の振幅を、対角ゲートがグラフを単純化する無向グラフィカルモデル表現として構築する。
• 高影響度の変数の値を固定して、同時に評価できるサブタスクを作成する形で並列化する。
• QuickBBを用いて消去順序と木幅を推定し、グラフの簡略化とサブタスク割り当ての指針とする。
• 推定された基礎アルゴリズムコストに基づいて削除する頂点を選択するgreedy手法を用い、多数ノード間でメモリと計算資源をバランスさせるように、タスクをサブタスクに分割する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模クラスター上で、分散古典シミュレータが中サイズの量子回路の単一振幅を効率的に計算できるか。
• RQ2 グラフベースの収縮と主要変数に対する並列化が、量子回路の古典シミュレーションの実用的限界をどう押し広げるか。
• RQ3 現実的なゲート忠実度を用いたノイズ付きランダム回路は、提案された枠組みの下で古典的にシミュレート可能なままか。低深度領域での量子優越性に挑戦するか。

主な発見

• このシミュレータは、深さ40の8x8量子ビット回路の単一振幅を、クラスターの約14%を使用して約2分で計算できる。
• 9x9x40、10x10x35、11x11x31、12x12x27までの量子優越性回路のシミュレーションを実証し、現実的な物理パラメータの下でノイズ付きランダム回路が古典的にシミュレート可能である可能性を示すエビデンスを提供した。
• このアプローチは、CPUコアとメモリを大量に搭載した1万台のマシンを備えるクラスターで何がシミュレート可能かの境界を押し広げ、実現性における木幅と並列化の役割を強調している。
• この枠組み特有の量子優越性は、より難しい回路や誤り訂正が必要になるという見解を支持している。