[論文レビュー] Multi-programming Cross Platform Benchmarking for Quantum Computing Hardware

Siyuan Niu, Aida Todri‐Sanial|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2022

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、超伝導（IBM）および捕獲イオン（Quantinuum）プラットフォームにおける量子ハードウェア利用効率を評価するため、マルチプログラミングベンチマークを導入する。複数の回路を並列に実行することで、捕獲イオンデバイスは劣化を示さずに忠実度を維持する一方、超伝導デバイスとは異なり、実行コストを最大31%削減することが判明し、マルチプログラミングに優れた適性を示している。

ABSTRACT

With the rapid development of quantum hardware technologies, benchmarking the performance of quantum computers has become attractive. In this paper, we propose a new aspect of benchmarking quantum computers by evaluating the limitation of hardware utilization using a multi-programming mechanism -- a technique that simultaneously executes multiple circuits in a quantum machine. This is the first attempt to compare the evaluation of multi-programming on trapped-ion and superconducting devices. Based on the experimental results, performing multi-programming on a trapped-ion device demonstrates better results than a superconducting machine without losing any fidelity to independent executions.

研究の動機と目的

• NISQ時代の量子コンピュータにおけるハードウェア利用効率を、マルチプログラミングを用いて評価すること。
• 超伝導（IBM）および捕獲イオン（Quantinuum）量子プロセッサにおけるマルチプログラミングの忠実度とパフォーマンスを比較すること。
• マルチプログラミングがクロストークやリソース競合によって忠実度の低下を引き起こすかどうかを調査すること。
• 実際の量子ハードウェア上で並列回路実行によるコスト削減と実行時間の改善を評価すること。
• 異なる量子ハードウェアプラットフォームにおけるマルチプログラミングの実現可能性と利点を特定すること。

提案手法

• IBM ibmq_mumbai（27量子ビットの超伝導）およびQuantinuum H1-2（12量子ビットの捕獲イオン）デバイス上で、2つの小さな量子回路を並列に実行した。
• 両方の実行モード（単独実行および同時実行）における回路忠実度を定量化するために、成功試行の確率（PST）指標を用いた。
• IBMハードウェアにQuMCマルチプログラミングアルゴリズムを適用し、Qiskitトランスパイラーを最適化レベル最大で使用した。
• 最適化されたアーサンツ回路を用いて、両プラットフォームでQAOAを並列実行し、Max-Cut問題の解決を試みた。
• 独立実行と同時実行の両方において、忠実度、正しい解の確率分布、実行予算を比較した。
• 単独実行とマルチプログラミング実行における必要ショット数の比較を通じて、コスト削減を測定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マルチプログラミングは、超伝導および捕獲イオン量子プロセッサにおいて、単独実行と比較して回路忠実度を低下させるか？
• RQ2 クロストークおよび量子ビット接続性の制限が、異なる量子ハードウェアプラットフォームにおけるマルチプログラミングパフォーマンスに与える影響は何か？
• RQ3 マルチプログラミングは、忠実度を損なわずに、どの程度実行コストと実行時間を削減できるか？
• RQ4 捕獲イオンデバイスは、すべての量子ビット間接続（all-to-all）と低エラー率（1Q: 0.01%、2Q: 0.35%）のおかげで、高忠実度の並列実行を維持できるか？
• RQ5 ハードウェアトポロジー（例：近隣量子ビット接続 vs. 全ての量子ビット間接続）は、マルチプログラミングの実現可能性とパフォーマンスにどのように影響するか？

主な発見

• IBM ibmq_mumbaiでは、同時実行による忠実度が単独実行と比較して3.4%低下し、クロストークまたはリソース競合による忠実度損失が示された。
• Quantinuum H1-2では、同時実行による忠実度低下が単独実行と比較して0.5%以内に抑えられ、顕著な劣化がなかった。
• Quantinuum H1-2におけるマルチプログラミングにより、独立実行と比較して総予算が31%削減されたが、高い忠実度が維持された。
• H1-2におけるQAOAでは、正しいMax-Cut解の確率合計が、単一実行時（50%）から2回の並列実行時（64%および47%）に上昇し、信頼性の向上が示された。
• IBMでは、正しい解の確率合計が独立実行時（42.5%）から並列実行時（38.1%および40.3%）に低下し、パフォーマンスの劣化が確認された。
• 捕獲イオンデバイスのすべての量子ビット間接続性と低いエラー率（1Q: 0.01%、2Q: 0.35%）のおかげで、超伝導ハードウェアに比べてマルチプログラミングがより効果的であることがわかった。