[論文レビュー] MUQUT: Multi-Constraint Quantum Circuit Mapping on Noisy Intermediate-Scale Quantum Computers

Debjyoti Bhattacharjee, Abdullah Ash Saki+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2019

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 18被引用数 4

ひとこと要約

MUQUTは、NISQデバイス向けに近接ノード（NN）接続性、ゲート忠実度、論理的深さ、ゲート数を統合的に最適化するマルチ制約量子回路マッピングフレームワークを提案する。トポロジーに配慮したマッピングとノイズに配慮したキュービット配置を、マルチティアのヒューリスティックおよびILPベースのアプローチで統合することで、IBMQ16では平均で6.76倍、10のベンチマーク平均では3.37倍の忠実度向上を達成し、QFT-5では1.96倍の向上を実現した。

ABSTRACT

Rapid advancement in the domain of quantum technologies has opened up researchers to the real possibility of experimenting with quantum circuits and simulating small-scale quantum programs. Nevertheless, the quality of currently available qubits and environmental noise poses a challenge in the smooth execution of the quantum circuits. Therefore, efficient design automation flows for mapping a given algorithm to the Noisy Intermediate Scale Quantum (NISQ) computer becomes of utmost importance. State-of-the-art quantum design automation tools are primarily focused on reducing logical depth, gate count and qubit count with the recent emphasis on topology-aware (nearest-neighbor compliance) mapping. In this work, we extend the technology mapping flows to simultaneously consider the topology and gate fidelity constraints while keeping logical depth and gate count as optimization objectives. We provide a comprehensive problem formulation and multi-tier approach towards solving it. The proposed automation flow is compatible with commercial quantum computers, such as IBM QX and Rigetti. Our simulation results over 10 quantum circuit benchmarks show that the fidelity of the circuit can be improved up to 3.37X with an average improvement of 1.87X.

研究の動機と目的

• 既存の量子設計フローがトポロジーと忠実度制約を別々に扱うのではなく、統合的に最適化することのギャップを埋める。
• IBM QX や Rigetti といった商業的NISQアーキテクチャと互換性を持つ、スケーラブルなマルチティア技術マッピングフローを開発すること。
• 近接ノード準拠を保ちながら、ゲート数と論理的深さを同時に最小化し、キュービット固有の誤差率を活用することで、量子回路の忠実度を向上させること。
• さまざまなトポロジー図、ウィンドウサイズ、ノイズに配慮したマッピング戦略をサポートする包括的な設計空間探索フレームワークを提供すること。

提案手法

• 近接ノード準拠、ゲート数、論理的深さ、キュービット固有のゲート忠実度を統合的に最適化するマルチ制約量子回路マッピング問題を定式化する。
• 大規模な回路におけるスケーラビリティを確保するため、最適な部分問題には整数線形プログラミング（ILP）を、その他の部分にはヒューリスティック手法を組み合わせたマルチティアアプローチを採用する。
• CNOTおよびその他のネイティブゲート数の削減を図る多段階最適化を実現するため、可変ウィンドウサイズ（w = 1, 2, 4, 6）を有するウィンドウドトポロジーソルバーを用いる。
• キュービット間誤差率をモデル化し、回路全体の累積誤差を最小化するような配置を選択することで、ノイズに配慮したキュービットマッピングを統合する。
• 実際の誤差モデルとネイティブゲートセットを用いて、IBMQ16およびRigetti 16キュービットアーキテクチャ上の10の量子回路ベンチマークでフローを検証する。
• ゲート削減およびマッピングにおける最適部分解を得るためにGurobi 8をILPソルバーとして採用し、商業的量子ハードウェアと互換性を維持する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NISQデバイス向け量子回路マッピングにおいて、トポロジーとゲート忠実度制約をどのように統合的に最適化できるか？
• RQ2 マルチレベルトポロジーソルバーにおけるウィンドウサイズの変化が、ゲート数と回路忠実度に与える影響は何か？
• RQ3 ノイズに配慮したキュービット配置は、ランダム配置やトポロジーのみに依存するマッピングと比較して、どの程度回路忠実度を向上させられるか？
• RQ4 IBM QX およびRigetti といった異なるネイティブゲートセットと接続性を持つ量子ハードウェアアーキテクチャにおいて、提案フローのスケーラビリティはどの程度か？
• RQ5 統一されたフレームワークにより、論理的深さ、ゲート数、誤差蓄積を同時に低減し、近接ノード準拠を保証することは可能か？

主な発見

• 提案されたMUQUTフローは、IBMQ16アーキテクチャで最大6.76倍の回路忠実度向上を達成した。特にQFT-5ベンチマークで最大の向上が観察された。
• 10のベンチマーク平均では1.87倍の忠実度向上を達成し、ゲート数が多いため特にQFT-5では1.96倍の向上を記録した。
• ノイズに配慮したマッピング手順の導入により、CNOTゲート数が削減され、特にゲート削減技術と組み合わせた場合に忠実度が顕著に向上した。
• トポロジーソルバーにおける大きなウィンドウサイズ（w = 4, 6）は、総ゲート数の削減に効果的であるが、実行時間の増加を伴う。
• フローはIBM QX（CNOTベース）およびRigetti（CZベース）アーキテクチャの両方と互換性を示し、異なるネイティブゲートセットにおいても一貫した忠実度向上を達成した。
• ゲート数が多い回路、特にQFT-5において忠実度向上が顕著であり、ゲート数と忠実度の逆相関関係を裏付ける結果となった。