[論文レビュー] Full-Stack, Real-System Quantum Computer Studies: Architectural Comparisons and Design Insights

Prakash Murali, Norbert M. Linke+4 more|arXiv (Cornell University)|May 27, 2019

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 50被引用数 38

ひとこと要約

本論文は、クロスプラットフォームでノイズ特性を考慮した量子コンパイラ TriQ を提示し、超伝導とトラップイオン技術にわたる7つの実機プロトタイプで評価して、アーキテクチャを比較しベンダーツールに対する性能向上を示す。

ABSTRACT

In recent years, Quantum Computing (QC) has progressed to the point where small working prototypes are available for use. Termed Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ) computers, these prototypes are too small for large benchmarks or even for Quantum Error Correction, but they do have sufficient resources to run small benchmarks, particularly if compiled with optimizations to make use of scarce qubits and limited operation counts and coherence times. QC has not yet, however, settled on a particular preferred device implementation technology, and indeed different NISQ prototypes implement qubits with very different physical approaches and therefore widely-varying device and machine characteristics. Our work performs a full-stack, benchmark-driven hardware-software analysis of QC systems. We evaluate QC architectural possibilities, software-visible gates, and software optimizations to tackle fundamental design questions about gate set choices, communication topology, the factors affecting benchmark performance and compiler optimizations. In order to answer key cross-technology and cross-platform design questions, our work has built the first top-to-bottom toolflow to target different qubit device technologies, including superconducting and trapped ion qubits which are the current QC front-runners. We use our toolflow, TriQ, to conduct {\em real-system} measurements on 7 running QC prototypes from 3 different groups, IBM, Rigetti, and University of Maryland. From these real-system experiences at QC's hardware-software interface, we make observations about native and software-visible gates for different QC technologies, communication topologies, and the value of noise-aware compilation even on lower-noise platforms. This is the largest cross-platform real-system QC study performed thus far; its results have the potential to inform both QC device and compiler design going forward.

研究の動機と目的

• クロステクノロジーQCアーキテクチャをベンチマークし（超伝導対トラップイオン）、ハードウェアとソフトウェアの設計影響を特定する。
• TriQ をはじめとする、ハイレベル QC プログラムを実機デバイスへデバイス固有の最適化を施してマッピングする、フルスタックのマルチプラットフォームコンパイラを開発する。
• ネイティブゲートとソフトウェア-visibleゲートおよび接続性が、コンパイル品質とプログラム成功率に与える影響を評価する。
• NISQシステムにおけるゲート集合、トポロジー、ノイズ認識に基づくコンパイルに関する実用的な推奨を提供する。

提案手法

• Scaffold プログラムとデバイス特性を入力として受け取り、ベンダー固有の実行可能コードを出力するマルチターゲット QC コンパイラ TriQ を構築する。
• トポロジーと較正データに基づいて2Q演算のノイズ認識信頼性マトリクスを作成し、信頼性の高いルーティング経路には Floyd-Warshall を用いる。
• SMTソルバーを用いて、最小信頼性を最大化することでプログラム量子ビットをハードウェア量子ビットへ対応づける。
• 依存関係を考慮してトポロジー的にゲートをスケジュールし、必要に応じて最適化された SWAP 経路を挿入する。
• ベンダーごとにネイティブまたはソフトウェア-visibleゲートセットへゲートを分解・最適化し、四元数表現を用いて単一量子ビット列を最適化する。
• 7つの実機 QC プラットフォーム向けに OpenQASM、 Quil、またはデバイス固有アセンブリで実行ファイルを生成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 デバイスのトポロジー、ネイティブゲートセット、およびノイズ特性は、QC技術全体でソフトウェアのパフォーマンスと信頼性にどのような影響を与えるか？
• RQ2 単一のクロスプラットフォームツールフロー（TriQ）で、ベンダーコンパイラと比較して性能を犠牲にすることなく可搬性を達成できるか？
• RQ3 NISQデバイスにおけるソフトウェア-visibleゲートとネイティブゲートおよび接続性の価値に関するどんなアーキテクチャ的洞察が得られるか？
• RQ4 ノイズ認識に基づくコンパイルは、超伝導およびトラップイオンシステム全体のプログラム成功率をどの程度向上させることができるか？

主な発見

• TriQは IBMデバイス上でIBM Qiskitと比較してプログラム成功率を最大で28倍改善（幾何平均3倍）、Rigettiでは最大で2.3倍（幾何平均1.45倍）を達成。
• TriQはノイズ非認識ベースラインと比較してUMDTIトラップイオンの結果を最大1.47倍向上。
• デバイス特定ゲートを公開することで、コンパイル時および実行時の最適化を大幅に可能にし、ベンダーツールフローを上回る。
• ノイズ認識コンパイルと最適化された量子ビット間通信は、ノイズが比較的低いプラットフォームでも有意な利得をもたらす。
• TriQは最大72量子ビットまでスケールし、発表された最大のNISQ構成と一致する。
• 本研究はゲート選択、トポロジー、コンパイラ設計のためのベンダー横断・技術横断の洞察を提供する。