[論文レビュー] Optimization of Quantum Circuit Mapping using Gate Transformation and Commutation

Toshinari Itoko, Rudy Raymond+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2019

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 23被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、NISQデバイスのための量子回路マッピング手法を提案しており、特にSWAPゲートおよびブリッジゲートを用いたゲート交換則と変換則を活用して、追加の Controlled-Not（CNOT）ゲートを最小限に抑える。これらの則をヒューリスティックアルゴリズムに統合することで、回路の深さとノイズを低減し、最先端の手法と比較して平均で14.2%の追加CNOTゲート削減を達成した。

ABSTRACT

This paper addresses quantum circuit mapping for Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ) computers. Since NISQ computers constraint two-qubit operations on limited couplings, an input circuit must be transformed into an equivalent output circuit obeying the constraints. The transformation often requires additional gates that can affect the accuracy of running the circuit. Based upon a previous work of quantum circuit mapping that leverages gate commutation rules, this paper shows algorithms that utilize both transformation and commutation rules. Experiments on a standard benchmark dataset confirm the algorithms with more rules can find even better circuit mappings compared with the previously-known best algorithms.

研究の動機と目的

• 制限付きの2キュービット結合アーキテクチャを持つNISQデバイスに、任意の量子回路をマッピングする課題に対処すること。
• マッピング過程で導入される追加ゲート（特にCNOT）の数を減らし、ノイズと回路の深さを最小限に抑えること。
• グローバルなゲート交換や変換オプションを考慮しないで層ごとにゲートを処理する従来のコンパイラを改善すること。
• ゲート交換則と変換則（SWAP/ブリッジゲート）を併用することで、先行手法よりも優れた回路マッピングが得られることを示すこと。

提案手法

• ゲート交換則とゲート変換則（SWAPおよびブリッジゲート）を組み合わせた定式化を導入し、マッピングの前段階で回路を再構成すること。
• 交換則を用いて代替のゲート順序とマッピングを探索する、正確なアルゴリズムとヒューリスティックアルゴリズムを開発すること。
• ブリッジゲート（4つのCNOT）と比較してSWAPゲート（3つのCNOT）を用いる場合に生じるより大きな探索空間を考慮し、さらなる交換を可能にする構成を優先するヒューリスティック探索戦略を採用すること。
• 初期レイアウトを変更することで、先頭に来る余分なSWAPゲートを削除する後処理を適用し、効率を向上させること。
• 逆走査技術を活用して初期レイアウトを最適化し、さらにゲート数を削減すること。
• 追加CNOT数や実行時間などのメトリクスを用いて、標準ベンチマークセット上でアプローチを評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ゲート交換則と変換則（SWAP/ブリッジゲート）の統合は、従来の層別処理手法と比較して、より優れた量子回路マッピングを実現できるか？
• RQ2 探索空間が拡大するにもかかわらず、ブリッジゲートの導入は、キュービット順序を保持する利点により、SWAPゲート単体よりも優れた解をもたらすか？
• RQ3 交換則を用いることで、NISQアーキテクチャの回路マッピングにおいて、追加CNOTゲートの数をどの程度削減できるか？
• RQ4 QRAND や ZPW といった最先端のツールと比較して、提案されたヒューリスティックアルゴリズムの性能とゲート数削減効果はいかがなものか？
• RQ5 後処理とレイアウト最適化により、最終的なマッピング回路における不要なゲート数をさらに削減できるか？

主な発見

• 提案されたヒューリスティックアルゴリズムは、すべてのベンチマークインスタンスでQRANDおよびZPWを上回り、追加SWAPゲートを平均53.2%、ブリッジゲートを34.7%削減した。
• ブリッジゲートを導入しなくても、QRANDと比較して平均45.5%、ZPWと比較して23.8%のSWAPゲート削減が達成された。
• ブリッジゲートの導入により、ベースライン手法と比較して、追加CNOTゲートの合計数が平均14.2%削減された。
• 1回の実行で15分未満の実行時間でこれらの改善を達成しており、実用的な効率性を示した。
• 先頭のSWAPゲートを削除する後処理とレイアウト最適化により、さらなる結果の向上が得られ、初期レイアウトの選定が重要な要因であることが示された。
• 結果から、交換則と変換則の両方を考慮することで、より効果的な解空間探索が可能となり、優れたマッピングが得られることを確認した。