[論文レビュー] QFAST: Conflating Search and Numerical Optimization for Scalable Quantum Circuit Synthesis

Ed Younis, Koushik Sen+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2021

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 4

ひとこと要約

QFASTは、回路構造の総当り探索を置き換え、一般ゲートに回路トポロジーとユニタリ変換を符号化することでスケーラブルな量子回路合成アルゴリズムである。4キュービットまで1.19倍の近似的最適な回路深度を達成し、コンpilationを3.55倍高速化しており、7キュービットまでスケーリング可能で、Qiskitのルールベース手法に比べ最大331倍短い回路を生成する。

ABSTRACT

We present a quantum synthesis algorithm designed to produce short circuits and to scale well in practice. The main contribution is a novel representation of circuits able to encode placement and topology using generic "gates", which allows the QFAST algorithm to replace expensive searches over circuit structures with few steps of numerical optimization. When compared against optimal depth, search based state-of-the-art techniques, QFAST produces comparable results: 1.19x longer circuits up to four qubits, with an increase in compilation speed of 3.6x. In addition, QFAST scales up to seven qubits. When compared with the state-of-the-art "rule" based decomposition techniques in Qiskit, QFAST produces circuits shorter by up to two orders of magnitude (331x), albeit 5.6x slower. We also demonstrate the composability with other techniques and the tunability of our formulation in terms of circuit depth and running time.

研究の動機と目的

• NISQ時代のデバイスにおける探索ベースの量子回路合成アルゴリズムのスケーラビリティ制限に対処すること。
• 組み合わせ的探索の代わりに、コンactなトポロジーに配慮したゲート表現を用いた数値最適化を導入することで、回路深度とコンパイル時間を短縮すること。
• 既存のネイティブゲート合成ツールとの組み込み可能性と、回路深度と実行時間の間での調整の柔軟性を実現すること。
• 4キュービットを超えて回路合成をスケーリングしながら、高品質な近似を維持すること。
• 現実の量子アルゴリズムに適した、深度、速度、ハードウェアへの配慮のバランスが取れた実用的で近似的な合成フレームワークを提供すること。

提案手法

• QFASTは3段階の階層的合成アプローチを採用する：まず、ユニタリ関数とキュービット位置を両方符号化した一般ゲート（m < n）から回路を構築する。
• 各一般ゲートは、トポロジーに配慮した定式化を用いて、ターゲットとのユニタリ距離を最小化する1回の数値最適化ステップで特殊化される。
• アルゴリズムは下位から上位へと進行し、小さな最適化済みゲートを組み合わせてより大きなゲートを構築し、最終的にnキュービット回路に到達する。
• 最終的な回路は、外部ツールからのネイティブゲート分解を用いて再構成され、既存の合成パイプラインとの組み込みを可能にする。
• 一般ゲート空間における目的関数とネイティブゲート空間を分離することで、細かく制御可能な近似が可能になる。
• QFASTは任意のゲートセットとキュービット接続性をサポートしており、異なる量子ハードウェアターゲットに適応可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 探索ベースの量子回路合成アルゴリズムが、4キュービットを超えて効率的にスケーリング可能であり、近似的最適な回路深度を達成できるか。
• RQ2 トポロジーに配慮した形で組み合わせ的探索を数値最適化に置き換えることで、回路品質を損なわずにコンパイル時間を顕著に短縮できるか。
• RQ3 QFASTの性能は、最適な探索ベース手法（例：QSearch）およびルールベースコンパイラ（例：Qiskit）と比較して、回路深度と実行時間の観点でどの程度優れているか。
• RQ4 QFASTが既存のネイティブゲート合成ツールとどの程度組み合わせ可能であり、スケーラビリティと近似品質の両方を向上できるか。
• RQ5 アプリケーション固有のニーズに応じて、回路深度とコンパイル時間の間でトレードオフを調整できるか。

主な発見

• QFASTは、QSearchが生成する最適な回路深度の平均1.19倍の長さの回路を生成するが、コンパイル速度は平均3.55倍速い。
• QFASTは7キュービットまでスケーリング可能であり、通常4キュービットで上限に達する最先端の探索ベース手法に比べ顕著な改善である。
• IBM Qiskitのルールベース分解と比較して、QFASTは平均156倍短い回路を生成するが、15倍の実行時間のペナルティを伴う。
• Qiskitのコンパイルパイプラインと直接比較した場合、QFASTの回路は平均10倍短く、優れた最適化能力を示している。
• QFASTはKAK、QSearch、Qiskitのネイティブ分解器を含む複数のネイティブ合成ツールと組み合わせ可能であり、柔軟性とポータビリティを向上させている。
• 関数と位置を両方符号化した一般ゲートの使用により、QFASTは回路構造の高価な探索を、1ゲートあたり1回の数値最適化ステップに置き換えることができる。