[論文レビュー] QFAST: Quantum Synthesis Using a Hierarchical Continuous Circuit Space

Ed Younis, Koushik Sen+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 2020

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 31被引用数 27

ひとこと要約

QFASTは、階層的で連続的な回路表現を用いることで、粗い構造最適化と細かい機能精錬を組み合わせることで、短い量子回路を効率的に生成する量子合成ツールである。時間依存の発展演算子アルゴリズムにおいて、既存の手法よりも顕著に高速に近似的最適な回路深度を達成するが、異なるゲートセットにおける合成の組み込み可能性とトポロジーに配慮した合成をサポートする。

ABSTRACT

We present QFAST, a quantum synthesis tool designed to produce short circuits and to scale well in practice. Our contributions are: 1) a novel representation of circuits able to encode placement and topology; 2) a hierarchical approach with an iterative refinement formulation that combines "coarse-grained" fast optimization during circuit structure search with a good, but slower, optimization stage only in the final circuit instantiation stage. When compared against state-of-the-art techniques, although not optimal, QFAST can generate much shorter circuits for "time dependent evolution" algorithms used by domain scientists. We also show the composability and tunability of our formulation in terms of circuit depth and running time. For example, we show how to generate shorter circuits by plugging in the best available third party synthesis algorithm at a given hierarchy level. Composability enables portability across chip architectures, which is missing from the available approaches.

研究の動機と目的

• NISQ時代のデバイスにおけるスケーラビリティと回路長の制限を克服すること。
• 速度と回路品質のバランスを取る合成手法を開発し、高速手法よりも短い回路を生成しながら実行時間の面でも実用的であること。
• 再実装を必要とせずに、さまざまな量子ハードウェアアーキテクチャに適応可能なトポロジーに配慮した合成を可能にすること。
• さまざまな量子ビット粒度のレベルで、第三者的な合成アルゴリズムを統合可能な組み込み可能なフレームワークを提供すること。
• 時間依存ハミルトニアンシミュレーションを用いたドメイン科学者による量子回路生成の実用性を向上させること。

提案手法

• QFASTは、マルチキュービットゲートの配置とトポロジーを符号化する階層的連続空間を用いて回路を表現する。
• 粗い粒度の探索と細かい粒度の最適化の2段階の反復的精錬プロセスを採用する：まずブロックの配置を粗く探索し、次にゲート関数を最適化する。
• アルゴリズムはm < n個のmキュービットブロックから出発し、2キュービットゲートまで再帰的に分解し、最適性を確保するためにKAK分解を適用する。
• 数値最適化により、各階層レベルで合成回路のユニタリ行列とターゲットユニタリ行列との距離を最小化する。
• 任意の階層レベルで第三者的な合成アルゴリズムのプラグイン統合を可能とし、ゲートセット間での組み込み可能性と再ターゲティングを実現する。
• マルチキュービット演算子の連続的表現を用いることで、組み合わせ的探索の代わりに効率的な数値最適化を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 階層的連続最適化アプローチは、最先端の高速合成ツールよりも短い量子回路を生成できるか、かつ許容可能な実行時間を維持できるか？
• RQ2 QFASTの組み込み可能性は、異なる量子ハードウェアアーキテクチャやゲートセットへの再ターゲティングをどのように可能にするか？
• RQ3 粗粒度と細粒度の最適化段階を有する階層的精錬は、純粋な組み合わせ的または線形代数ベースの手法と比較して、回路深さとスケーラビリティをどの程度向上できるか？
• RQ4 QFASTの性能は、最適だが遅い手法（例：Davisら[9]のA*ベース手法）と比較して、回路深さと実行時間の両面でどの程度優れているか？
• RQ5 QFASTは、VQE、QAOA、時間依存ハミルトニアンシミュレーションなどの実用的ドメイン固有回路において、回路深さを効果的に短縮できるか？

主な発見

• QFASTは、特に時間依存発展演算子アルゴリズムにおいて、高速合成手法と比較して顕著に回路深さが短縮されており、実用的回路品質において既存ツールを上回る。
• 最適だが遅い合成定式化と比較して、QFASTははるかに優れたスケーラビリティを示し、NISQデバイスにおいて許容可能な実行時間で近似的最適な深さを達成する。
• QFASTは高速手法が達成可能な範囲を超えて回路深さを短縮し、最適手法の性能に近づく一方で、実行時間の面でも実用的である。
• 階層的連続表現により、調整可能な量子ビット粒度と第三者的な合成器のプラグイン統合を通じて、回路深さと実行時間の間で効果的なトレードオフを実現できる。
• QFASTは強力な組み込み可能性を示し、任意の階層レベルでKAK分解やClifford+T近似などの外部合成アルゴリズムをシームレスに統合できる。
• VQE、QAOA、TFIMを含むベンチマーク回路に対する評価では、QFASTは最良の高速合成ツールでさえも常に下回る短い回路を生成している（最適でない場合でも）。