[論文レビュー] Origin Pilot: a Quantum Operating System for Effecient Usage of Quantum Resources

Weicheng Kong, Junchao Wang+6 more|arXiv (Cornell University)|May 22, 2021

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 1被引用数 8

ひとこと要約

Origin Pilot は、インтелиジェントなタスクスケジューリング、動的量子リソース管理、自動化されたキュービットキャリブレーション、最適化されたキュービットマッピングを通じて、量子リソースの利用を向上させる量子オペレーティングシステムです。平均して量子回路の忠実度を最大10%向上させ、複数の量子プロセッサにおける並列実行を可能にし、アイドルタイムを著しく削減し、キュービット状態の変動に対しても高いパフォーマンスを維持します。

ABSTRACT

The operating system is designed to manage the hardware and software resources of a computer. With the development of quantum computing, the management of quantum resources and cooperation between quantum systems and other computing resources (e.g. CPU, GPU and FPGA etc.) become the key challenge for the application of quantum computing to solve real world problems. In this paper we propose a quantum operating system, Origin Pilot. Origin Pilot includes the module of quantum task scheduling, quantum resource management, quantum program compilation and qubits' automatic calibration. With these modules, Origin Pilot can manage the quantum computing resources and solve the multi-quantum processor scheduling problem. It can also allow the parallel execution of multiple quantum programs and calibrate the quantum resource effectively. Thus, the performance of resources is guaranteed and the resource utilization is improved. By comparing the results with and without Origin Pilot, we evaluate the impact on a quantum circuit's fidelity of qubits mapping algorithm. We also evaluate the effectiveness of automatic calibration and parallel execution of multi-quantum processors. Finally, Origin Pilot can be easily customized for hybrid computing resources.

研究の動機と目的

• クラウド環境における量子プロセッサのリソース未利用を解消するため、単一ユーザー・スケジューリングなしのアクセスモデルに起因する課題に対処すること。
• 環境ノイズや予防的キャリブレーションの欠如によるキュービット忠実度の変動という課題を解決すること。
• 複数の量子プロセッサに跨る複数の量子プログラムの並列実行を可能にすること。
• 高忠実度キュービットを優先するインテリジェントなキュービットマッピングにより、量子回路の忠実度を向上させること。
• 実世界での展開に適したカスタマイズ可能でハイブリッドコンピューティング対応の量子オペレーティングシステムを設計すること。

提案手法

• タスク要件とプロセッサの利用可能性に基づいて動的にリソースを割り当てる量子タスクスケジューリングモジュールの実装。
• マルチプロセッサアクセスと負荷分散をサポートする量子リソース管理システムの導入。
• 忠実度がしきい値（2キュービットゲートでは0.95、1キュービットゲートでは0.98）未満に低下した際にキャリブレーションをトリガーする自動キュービットキャリブレーションエンジンの開発。
• ゲート誤差伝搬を最小限に抑えるために、高忠実度キュービットペアを選択するキュービットマッピングアルゴリズムの設計。
• ターゲットハードウェアトポロジーやノイズプロファイルに最適化された回路を生成する量子プログラムコンパイルパイプラインの統合。
• 相互回路依存関係とリソース隔離を分析することで、複数の量子プログラムの並列実行を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マルチユーザー量子クラウド環境における量子リソース利用効率をどのように向上させられるか？
• RQ2 自動キュービットキャリブレーションが、高忠実度を維持し、システムのダウンタイムをどれほど削減できるか？
• RQ3 インテリジェントなキュービットマッピングは、コンパイルされた量子回路の忠実度にどのように影響するか？
• RQ4 共有量子ハードウェア上で、複数の量子プログラムの並列実行を効果的にスケジューリングし、隔離できるか？
• RQ5 量子オペレーティングシステムモジュールの統合が、全体のシステムパフォーマンスとスケーラビリティに与える影響はいかほどか？

主な発見

• 自動キャリブレーションを適用した場合、1キュービットゲートの忠実度は0.98以上、2キュービットゲートの忠実度は0.95以上を維持したが、キャリブレーションなしでは忠実度が時間経過とともに低下した。
• Origin Pilotを導入することで、アイドルタイムの削減と持続的な高パフォーマンスにより、実行可能な量子タスク数が顕著に増加した。
• Origin Pilotに搭載されたキュービットマッピングアルゴリズムは、BMTなどのベースライン手法と比較して、平均的な量子回路忠実度を最大10%向上させた。
• Origin Pilot搭載の量子プロセッサはキャリブレーションサイクル中でも正常に稼働を維持したが、キャリブレーションなしのシステムは最終的に新しいタスクの実行ができなくなった。
• システムは複数のプロセッサに跨る複数の量子プログラムの並列実行を成功裏に実現し、キューイング遅延を低減した。
• Origin Pilotはハイブリッドコンピューティングアーキテクチャと互換性を示し、CPU、GPU、FPGAなどの古典的リソースとの統合をサポートした。