[論文レビュー] Next-Generation Topology of D-Wave Quantum Processors

Kelly Boothby, P. Bunyk+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 29, 2020

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 17被引用数 56

ひとこと要約

Pegasusトポロジーを紹介し、その構造、Chimeraに対する埋め込みの利点、シンプルなIsingモデルの初期性能結果を詳述する。

ABSTRACT

This paper presents an overview of the topology of D-Wave's next-generation quantum processors. It provides examples of minor embeddings and discusses performance of embedding algorithms for the new topology compared to the existing Chimera topology. It also presents some initial performance results for simple, standard Ising model classes of problems.

研究の動機と目的

• Pegasusファミリーのトポロジーを提示し、それらがChimeraをどう拡張するかを説明する。
• Pegasusのグラフ理論的構造、カプラ種類、および量子ビットの次数を説明する。
• 既知のChimera埋め込みがPegasusにどのように変換されるかを実証し、埋め込みの効率を評価する。
• PegasusとChimeraを比較するためのシンプルなIsingモデルクラスに関する初期の性能結果を提供する。

提案手法

• 公式な記述と座標系を用いてPegasusトポロジーP_Mを定義する。
• 3番目のカプラタイプ（odd couplers）を導入し、3つのカプラ集合（external, odd, internal）を指定する。
• Pegasus内のクリーク、バイクリク、3D/2D格子の組み込みの構成的枠組みを提供する。
• 多様な問題セットに対してMinorminerを用いてPegasusとChimeraのヒューリスティック埋め込み性能を比較する。
• Pegasusの木幅を分析し、Chimeraと比較してアルゴリズム上の含意を論じる。
• odd couplersを活用した論理エネルギースケールを増大させるエラー訂正方式を提案する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PegasusトポロジーはChimeraと比較して構造化済みおよび非構造化問題の埋め込み効率をどう向上させるか？
• RQ2 Pegasusで達成可能な埋め込み制限（クリーク、バイクリク、格子）は何か、連長はどのようにスケールするか？
• RQ3 Pegasusは木幅とIsingモデル問題の計算上の難しさにどう影響するか？
• RQ4 新しいodd couplersは論理量子ビットの実用的なエラー訂正とエネルギースケールの利得を可能にするか？
• RQ5 標準的なヒューリスティック埋め込みおよび古典的最適化ベンチマークはPegasusとChimeraでどう性能を発揮するか？

主な発見

• Pegasusは多様な問題セットにおいてChimeraと比較して平均チェーン長を約50-60%短縮している。
• Pegasusは結合性が高く（次数15、量子ビット長12）、Chimeraにはない新しいサブグラフタイプ（K4およびK6,6）をサポートする。
• Pegasusは、連長がMまたはM+1の最大クリークを12(M-1)までの埋め込みを可能にし、連長がM-1のバイクリクをK_{12M-20,12M-20}まで可能にする。
• Pegasusの立方格子埋め込みはP_Mで連長2の場合、(M-1)×(M-1)×12にスケールし、Chimeraよりも効率的である。
• Pegasusの木幅は12M-11と12M-4の間にあり、Chimeraの4Mより大きく、異なるアルゴリズム特性および潜在的難易度を示している。
• odd couplersを用いた初期のエラー訂正方式は、論理相互作用に内部カプラのみを使用する場合、論理エネルギースケールを4倍にできる。