[論文レビュー] Distributed Scheduling of Quantum Circuits with Noise and Time Optimization

Debasmita Bhoumik, Ritajit Majumdar+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 12, 2023

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、回路カットを用いて量子回路を分割し、複数のノイジーな量子ハードウェアデバイスに部分回路をスケジューリングすることで、ノイズを低減し、実行時間制限を尊重しながら忠実度を最大化する、ノイズと時間に最適化された分散スケジューラーNoTaDSを提案する。最小限に制限された実行時間でさえも、全回路をカットしない状態で実行した際の最もノイジーでないデバイスに比べ、最大21%の忠実度向上を達成する。

ABSTRACT

Quantum computers are currently noisy, particularly without error correction and fault tolerance. Methods like error suppression and mitigation are widely used to improve performance. Circuit cutting, which partitions a circuit into smaller subcircuits, can also reduce noise. In this paper, we propose an Integer Linear Program (ILP) based scheduler for optimizing subcircuit schedules on available hardware. The goal is to maximize overall fidelity and ensure each hardware does not exceed its predefined execution time. For 10-qubit circuits, our method achieves an average fidelity improvement of ~12.3% and ~21% with and without measurement error mitigation, respectively, even with minimal execution time. Additionally, we introduce a polynomial-time graph-theoretic scheduling method that matches the ILP scheduler's results when the number of subcircuits does not exceed the number of hardware units, each with minimal execution time. This noise and time-optimized scheduler represents a crucial step towards optimal quantum computing performance, especially with limited hardware access.

研究の動機と目的

• 近い将来の量子計算におけるノイズの低減と実行時間の短縮のトレードオフを解消すること。
• 量子ハードウェアへのアクセスが限られたユーザーが、利用可能なデバイスに部分回路を知的にスケジューリングすることで、より高い忠実度を達成できるようにすること。
• 回路カットとノイズに配慮した、時間制約のある分散ハードウェア上のスケジューリングを組み合わせることで、回路実行を最適化すること。
• ノイジー中規模量子（NISQ）デバイスにおけるパフォーマンス向上のための実用的でスケーラブルなソリューションを提供すること。

提案手法

• 本手法は、回路カットを用いて大規模な量子回路を、より小さな独立実行可能な部分回路に分解する。
• 各部分回路をハードウェアデバイスに割り当てるための整数線形計画問題（ILP）を定式化し、デバイスごとのユーザー定義実行時間上限τを満たす制約のもとで、全体の忠実度を最大化する。
• デバイス固有のノイズプロファイル（例：ゲート誤り率や読み出し誤り率）を組み込み、部分回路をノイズが低いデバイスに優先的に割り当てる。
• 古典的後処理により、部分回路の結果から全回路の出力を再構築し、回路深さとノイズの低減による忠実度の向上を保持する。
• ILP定式化は、忠実度の最大化と時間制約の両立をバランスさせ、どのデバイスの実行時間もτの上限を超えないように保証する。
• リアルタイムのノイズデータとハードウェア利用状況に基づいた動的スケジューリングをサポートし、速度と正確性の最適なトレードオフを実現する。

Figure 1: Circuit cutting for a 6-qubit RealAmplitudes ansatz, with single repetition and reverse-linear entanglement Kandala et al., ( 2017 ) , into two subcircuits

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複数のノイジーな量子デバイスに、カットされた量子回路の部分回路を最適にスケジューリングすることで、忠実度を最大化する方法は何か？
• RQ2 各デバイスの実行時間制約を、忠実度を損なわずにスケジューリングフレームワークに統合するにはどうすればよいか？
• RQ3 厳密な時間制限のもとでも、分散スケジューラーは、最小ノイズデバイスで全回路を直接実行するのを上回る性能を発揮できるか？
• RQ4 部分回路をノイズレベルが異なる複数のデバイスに分散配置する場合、ハードウェアの割り当ての選択が忠実度に与える影響は何か？
• RQ5 回路カットと知的なスケジューリングを組み合わせることで、NISQ時代の量子計算における有効なノイズ低減はどの程度達成できるか？

主な発見

• 10キュービットのベンチマーク回路において、測定誤り補正を施さない場合、NoTaDSは最小ノイズデバイスで全回路を実行した場合に比べ、平均で12.3%の忠実度向上を達成した。
• 測定誤り補正を施した場合、同じ実行時間制約のもとで、平均忠実度の向上は21%にまで増加した。
• 16キュービットのRealAmplitudes回路では、部分回路をすべてibm_hanoiにスケジューリングした場合が最高の忠実度を達成したが、ibm_hanoiとibmq_kolkataに分散することで実行時間を50%短縮し、忠実度はわずか1%低下に抑えられた。
• ibm_hanoiが利用不可の場合、ibmq_kolkataとibm_cairoの両方に部分回路を分散スケジューリングした方が、両方をibm_cairoに割り当てる単純なアサインメントよりも優れた性能を発揮した。これは、ibmq_kolkataのノイズが低いプロファイルのおかげである。
• 部分回路の数が2つを超える場合や、中間の時間制限（τ_min < τ < τ_max）が利用可能な場合、スケジューラーはナーブなアサインメントよりも優れたスケジュールを動的に特定する。
• 知的なノイズに配慮したスケジューリングが、実行時間が制限される状況でも、ほぼ最適な忠実度を達成できることを示しており、中央集権的およびナーブな分散実行を上回る性能を発揮している。

Figure 2: The coupling map and error distribution of a 5 qubit IBM Quantum device $Belem$