[論文レビュー] InQuIR: Intermediate Representation for Interconnected Quantum Computers

S. Nishio, Ryo Wakizaka|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2023

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、複数の量子プロセッサにまたがる分散量子プログラムの通信および計算を正確にモデル化できる、形式的に定義された中間表現であるInQuIRを紹介している。InQuIRは静的検証、リソース推定、およびデッドロックやキュービット枯渇などの問題を検出するツールチェインの基盤を提供し、異種アーキテクチャ間で再利用可能で信頼性の高いコンパイル済み量子プログラムの実現を支援する。

ABSTRACT

Various physical constraints limit the number of qubits that can be implemented in a single quantum processor, and thus it is necessary to connect multiple quantum processors via quantum interconnects. While several compiler implementations for interconnected quantum computers have been proposed, there is no suitable representation as their compilation target. The lack of such representation impairs the reusability of compiled programs and makes it difficult to reason formally about the complicated behavior of distributed quantum programs. We propose InQuIR, an intermediate representation that can express communication and computation on distributed quantum systems. InQuIR has formal semantics that allows us to describe precisely the behaviors of distributed quantum programs. We give examples written in InQuIR to illustrate the problems arising in distributed programs, such as deadlock. We present a roadmap for static verification using type systems to deal with such a problem. We also provide software tools for InQuIR and evaluate the computational costs of quantum circuits under various conditions. Our tools are available at https://github.com/team-InQuIR/InQuIR.

研究の動機と目的

• 相互接続された量子プロセッサ上で実行される分散量子プログラムのための標準化されたコンパイルターゲットの欠如に対処すること。
• 通信パターン、リソース消費、実行時エラーなどの複雑な振るまいについての形式的推論を可能にすること。
• 異なる量子ハードウェアアーキテクチャ間でコンパイル済み量子プログラムの再利用性とポータビリティを向上させること。
• デッドロックやキュービット枯渇などのエラーを実行前検出可能な静的検証技術（特に型システム）を支援すること。
• OpenQASMなどの既存フォーマットからInQuIRへのコンパイルをサポートするパフォーマンス評価、リソース推定、コンパイルのためのソフトウェアツールチェインを提供すること。

提案手法

• 分散量子計算のための明確に定義された構文と操作的意味論を持つ形式的中間表現としてInQuIRを設計すること。
• リモート量子操作、もつれ分配（例：EPRペア）およびプロセッサ間のキュービット管理をモデル化する命令セットを定義すること。
• データおよび通信依存関係を追跡する依存関係に配慮した実行モデルを導入し、非同期プログラム動作をモデル化すること。
• 線形型とマルチパーティーシステム型に基づく型システムを提案し、デッドロックの静的検証およびリソース消費の検証を可能にすること。
• OpenQASMからのコンパイラフロントエンド、実行時評価器、回路コスト分析のためのリソース推定器を含むソフトウェアツールチェインを実装すること。
• 形式的意味論を用いて、キュービットメモリ枯渇や通信デッドロックなどのエラー状態を含む、プログラム動作の正確な推論を可能にすること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複数の相互接続された量子プロセッサにまたがる分散量子プログラムを形式的に表現する方法は何か？
• RQ2 デッドロックやリソース枯渇などの主要な障害モードは何か？ そしてそれらはどのようにモデル化できるか？
• RQ3 非同期分散量子プログラムにおける実行時エラー（例：デッドロック）を静的に検出可能な型システムを設計できるか？
• RQ4 キュービット、EPRペア、回路深さなどのリソース消費は、アーキテクチャに依存しない中間表現において、どのように推定・最適化できるか？
• RQ5 InQuIRがNISQおよびフォールトトレランス量子コンピューティングシステムの両方のコンパイルターゲットとして実用可能か？

主な発見

• InQuIRは、複数プロセッサにまたがるリモート操作、もつれ分配、通信プロトコルといった複雑な分散量子動作を成功裏にモデル化している。
• InQuIRの形式的意味論により、プログラム実行に関する正確で機械検証可能な推論が可能となり、非同期的かつ並列的な振るまいの正確なモデル化が可能である。
• 本論文は、デッドロックやキュービットメモリ枯渇といった具体的な実行時エラーの例を提示し、形式的解析によってそれらが検出可能であることを示している。
• 線形型とマルチパーティーシステム型に基づく静的検証のロードマップを提案し、コンパイル時にデッドロックやリソース誤用を防ぐ道筋を示している。
• 実装されたツールチェインにより、InQuIRプログラムのパフォーマンス評価とリソース推定が可能であり、OpenQASMからのコンパイルおよび他の入力フォーマットへの拡張性もサポートしている。
• InQuIRは将来的なアーキテクチャ、特にフォールトトレランス量子コンピューティングやNUMA型モデルをサポートする十分な一般性を持ち、動的リスケジューリング拡張の可能性も有している。