[論文レビュー] QASMBench: A Low-level QASM Benchmark Suite for NISQ Evaluation and Simulation

Ang Li, Samuel Stein+2 more|arXiv (Cornell University)|May 26, 2020

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 113被引用数 46

ひとこと要約

QASMBenchはNISQデバイスの低レベル OpenQASM ベンチマークスイートを提案し、4つの回路指標を導入し、複数プラットフォームにわたる忠実度を評価します。

ABSTRACT

The rapid development of quantum computing (QC) in the NISQ era urgently demands a low-level benchmark suite and insightful evaluation metrics for characterizing the properties of prototype NISQ devices, the efficiency of QC programming compilers, schedulers and assemblers, and the capability of quantum system simulators in a classical computer. In this work, we fill this gap by proposing a low-level, easy-to-use benchmark suite called QASMBench based on the OpenQASM assembly representation. It consolidates commonly used quantum routines and kernels from a variety of domains including chemistry, simulation, linear algebra, searching, optimization, arithmetic, machine learning, fault tolerance, cryptography, etc., trading-off between generality and usability. To analyze these kernels in terms of NISQ device execution, in addition to circuit width and depth, we propose four circuit metrics including gate density, retention lifespan, measurement density, and entanglement variance, to extract more insights about the execution efficiency, the susceptibility to NISQ error, and the potential gain from machine-specific optimizations. Applications in QASMBench can be launched and verified on several NISQ platforms, including IBM-Q, Rigetti, IonQ and Quantinuum. For evaluation, we measure the execution fidelity of a subset of QASMBench applications on 12 IBM-Q machines through density matrix state tomography, which comprises 25K circuit evaluations. We also compare the fidelity of executions among the IBM-Q machines, the IonQ QPU and the Rigetti Aspen M-1 system. QASMBench is released at: http://github.com/pnnl/QASMBench.

研究の動機と目的

• NISQ評価のために、OpenQASMに基づく低レベルで使いやすいQCベンチマークスイートを提供する。
• 化学、シミュレーション、線形代数など、多様な量子ルーチンを統合する。
• 実行効率と誤差感受性を分析する回路指標を導入する。
• IBM-Q、Rigetti、IonQ、Quantinuumでのクロスプラットフォームベンチマークを可能にする。
• 他のQC表現への翻訳をサポートして使い勝手を最大化する。

提案手法

• 化学、シミュレーション、ML、暗号など、複数ドメインにまたがるOpenQASM回路の多様なコレクションを組み立てる。
• NISQ分析をより深く行うため、回路指標としてゲート密度、保持寿命、測定密度、エンタングルメント分散の4つを定義する。
• 忠実度を測定するため、密度行列状態トトロピーを使用して実機（12台の IBM-Q マシン）でベンチマークを評価する。
• IBM-Qのマシン、IonQ QPU、Rigetti Aspen M-1間で忠実度を比較し、プラットフォーム固有の挙動を明らかにする。
• オープンソースリリースと他のQC表現への翻訳ツール（q-convert）を提供する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低レベルのベンチマークと指標は、NISQデバイスの性能、コンパイラ、シミュレータを評価する上でどれだけ有効か。
• RQ2 QASMBench回路は異なるNISQプラットフォームで忠実度にどのように影響するか。
• RQ3 OpenQASMベースのベンチマークは公正なクロスプラットフォーム比較とハードウェア/ソフトウェアの共同設計の洞察を可能にするか。

主な発見

• 浅い回路は実行時間が短いため、深い回路より一般に忠実度が高い。
• 大規模マシン（例：IBM-Q Washington 127 qubits）は、小型デバイスと比較して忠実度が低下する。
• QASMBench回路は IBM-Q、Rigetti、IonQ、Quantinuumプラットフォームにアップロードし評価することができる。
• IBM-Qの超伝導マシン、IonQ QPU、Rigetti Aspen M-1の間で忠実度の差はプラットフォーム固有のエラープロファイルを示す。
• 提案された4つの指標は、観測される忠実度とハードウェア最適化効果を説明する力を提供する。