[論文レビュー] Exploiting Qubit Reuse through Mid-circuit Measurement and Reset

Fei Hua, Yuwei Jin+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2022

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 8

ひとこと要約

本論文では、IBMの超伝導プロセッサで最近実装された中間測定およびリセットというハードウェア機能を活用して、中間測定とリセットを用いて量子回路内のキュービット再利用の機会を自動的に同定・活用するコンパイラ支援フレームワークを提示する。測定およびリセット後にキュービットを再利用することにより、キュービット数を最大80%削減し、回路の忠実度を最大20%向上させるとともに、回路の実行時間を短縮する。Bernstein-VaziraniやQAOAのような応用分野において、実ハードウェア上で顕著な改善効果を示した。

ABSTRACT

Quantum measurement is important to quantum computing as it extracts the outcome of the circuit at the end of the computation. Previously, all measurements have to be done at the end of the circuit. Otherwise, it will incur significant errors. But it is not the case now. Recently IBM started supporting dynamic circuits through hardware (instead of software by simulator). With mid-circuit hardware measurement, we can improve circuit efficacy and fidelity from three aspects: (a) reduced qubit usage, (b) reduced swap insertion, and (c) improved fidelity. We demonstrate this using real-world applications Bernstein Verizani on real hardware and show that circuit resource usage can be improved by 60\%, and circuit fidelity can be improved by 15\%. We design a compiler-assisted tool that can find and exploit the tradeoff between qubit reuse, fidelity, gate count, and circuit duration. We also developed a method for identifying whether qubit reuse will be beneficial for a given application. We evaluated our method on a representative set of essential applications. We can reduce resource usage by up to 80\% and circuit fidelity by up to 20\%.

研究の動機と目的

• 近い将来の量子コンピュータにおけるキュービットの限られた可用性に対処するため、中間測定とリセットを用いたキュービットの動的再利用を可能にすること。
• 手動による介入を必要とせず、最適なキュービット再利用機会を自動的に同定するコンパイラ支援の手法を開発すること。
• 実世界の量子応用におけるキュービット使用量、ゲート数、回路実行時間、忠実度のトレードオフを調査すること。
• 動的回路を備えた実ハードウェア上でこの手法を評価し、Bernstein-Vazirani や QAOA のようなベンチマーク回路において、リソース効率と忠実度の向上を実証すること。

提案手法

• フレームワークは、キュービットが測定され、|0⟩にリセットされ、その後の演算に再利用可能な状況を検出するため、量子回路を分析する。
• 最適な位置に中間測定およびリセット操作を挿入する動的回路変換を適用し、進行中の計算に影響を与えないようにする。
• 非可換および可換なゲートを含む回路に対応でき、異なる回路構造と依存関係に適応する。
• ユーザーの優先順位に応じて、キュービットの節約、ゲート数、回路忠実度のバランスを取れる調整可能な最適化戦略を統合する。
• 依存関係解析と因果グラフモデリングを用いて、キュービット再利用後の正しさを保証し、未測定またはエンタングルされたキュービットとの競合を回避する。
• TVDやQAOAの収束速度といったメトリクスを用いて、動的回路を備えた実IBM Quantumハードウェア（例：IBM Mumbai）上で評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中間測定とリセットを体系的に活用することで、実際の量子応用においてキュービット使用量を削減できるか？
• RQ2 実際の量子回路において、キュービット再利用、回路忠実度、ゲート数、回路実行時間の間にはどのようなトレードオフがあるか？
• RQ3 どの種類の量子忤用がキュービット再利用によって最も恩恵を受けるか？また、このような機会を自動的に同定する方法は何か？
• RQ4 キュービット再利用は、実ハードウェア上での変動量子アルゴリズム（例：QAOA）のパフォーマンスにどのように影響を与えるか？

主な発見

• Bernstein-Vaziraniアルゴリズムでは、中間測定とリセットを用いることで、キュービット使用量を最大60%削減し、忠実度を15%向上させた。
• QAOA回路では、SR-CaQR手法が再利用なしの回路よりも収束が速く、より良い最大カット値を達成し、成功確率の向上を示した。
• BV_10、Multiply_13、CC_13を含むさまざまなベンチマークにおいて、キュービットリソース使用量を最大80%削減し、回路忠実度を最大20%向上させた。
• TVD（トレース距離）の結果は一貫した改善を示した。例として、BV_10では0.64から0.48に向上し、最適化後の出力状態の忠実度が向上した。
• 追加のゲートオーバーヘッドを回避するため、Uncomputationベースの手法（例：SQAURE）よりも優れた性能を示した。
• 実ハードウェア実験により、動的回路を備えた現在のIBM Quantumデバイス上で、キュービット再利用が実現可能で効果的であることが確認された。