[論文レビュー] CollComm: Enabling Efficient Collective Quantum Communication Based on EPR buffering

An‐Bang Wu, Yufei Ding+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 13, 2022

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 6

ひとこと要約

この論文では、余分なデータキュービットをEPR対バッファとして使用することで、量子通信の準備をリモートゲート操作から分離するコンパイラフレームワークCollCommを提案する。これにより、分散量子計算における効率的な一括通信が可能になる。この通信バッファを活用することで、CollCommは平均してノード間通信コストを最大50.4%、プログラムの遅延を最大47.6%まで削減し、最先端のコンパイラを上回る性能を発揮する。

ABSTRACT

The noisy and lengthy nature of quantum communication hinders the development of distributed quantum computing. The inefficient design of existing compilers for distributed quantum computing worsens the situation. Previous compilation frameworks couple communication hardware with the implementation of expensive remote gates. However, we discover that the efficiency of quantum communication, especially collective communication, can be significantly boosted by decoupling communication resources from remote operations, that is, the communication hardware would be used only for preparing remote entanglement, and the computational hardware, the component used to store program information, would be used for conducting remote gates. Based on the observation, we develop a compiler framework to optimize the collective communication happening in distributed quantum programs. In this framework, we decouple the communication preparation process in communication hardware from the remote gates conducted in computational hardware by buffering EPR pairs generated by communication hardware in qubits of the computational hardware. Experimental results show that the proposed framework can halve the communication cost of various distributed quantum programs, compared to state-of-the-art compilers for distributed quantum computing.

研究の動機と目的

• ハードウェア制約下で、既存のDQCコンパイラが一括通信を処理する際の非効率性を解消すること。
• 現在のフレームワークで生じる通信ハードウェアとリモートゲート操作の結合が引き起こす性能ボトルネックを克服すること。
• 通信キュービットが限られている近い将来の分散量子アーキテクチャにおいて、スケーラブルで高スループットな一括通信を実現すること。
• 余分なデータキュービットをEPR対のバッファとして再利用することで、デバイスの利用効率を向上させること。
• 論理的・物理的DQCシステムを橋渡しする実用的でハードウェアに配慮した最適化フレームワークを提供すること。

提案手法

• 通信キュービットが生成するEPR対を格納するための、余分なデータキュービットを活用する通信バッファ抽象化を導入する。
• 量子状態スワップを用いて、EPR対の生成（通信キュービットが担当）とリモートゲート実行（計算ハードウェアが担当）を分離する。
• 通信バッファを活用して、エンタングルドされたEPR対を格納・管理し、効率的で並列的かつ一括的なリモート操作を実現する。
• バッファを活用して通信ルーティングと変換を最適化するため、分散量子回路を再構成するコンパイラフレームワークCollCommを設計する。
• バッファ抽象化を活用して最適化された2つの通信パターン（Cat-CommとTP-Comm）を実装する。
• バッファを活用してマルチノードゲートのサポートを可能とし、基底ゲートへの分解に依存するコストを低減する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 EPR対の準備をリモートゲート操作から分離することで、分散量子計算における一括通信の効率性が向上するか？
• RQ2 余分なデータキュービットを効果的にEPR対のバッファとして再利用することで、通信オーバーヘッドを低減できるか？
• RQ3 通信キュービットが少ないハードウェア環境において、通信バッファが性能制限をどれほど緩和できるか？
• RQ4 バッファベースのフレームワークは、既存のコンパイラを上回り、一括操作における遅延と通信コストを低減できるか？
• RQ5 通信バッファは、階層的DQCシステムにおけるスケーラブルで並列的かつフェイルセーフな通信をどのように実現するか？

主な発見

• CollCommは、最先端のコンパイラと比較して、最も高コストなノード間通信リクエストを平均で50.4%まで削減した。
• プログラムの遅延は平均で47.6%削減され、エンドツーエンドの性能向上が顕著に示された。
• このフレームワークにより、通信キュービットが限られている状況では実現不可能な多ノードゲート（例：CCCX）の一括実装が可能になった。
• 通信バッファにより、並列通信リクエストが可能になり、余分なデータキュービットを再利用することでデバイスの利用効率が向上した。
• ゲート分解や逐次的通信に依存する既存の手法と比較して、特に一括通信シナリオにおいて顕著に優れた性能を発揮した。
• 階層的DQCシステムにおける実験結果から、さまざまな分散量子プログラムにおいて本フレームワークの有効性が確認された。