[論文レビュー] Quanto: Optimizing Quantum Circuits with Automatic Generation of Circuit Identities

Jessica Pointing, Oded Padon+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 2021

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 13

ひとこと要約

Quanto は、記号的列挙と行列同値性チェックを用いて、任意のゲートセットに対して自動的に証明可能に正しい回路恒等式を生成する最初の量子回路最適化ツールである。この恒等式を適用することで、Qiskit や Tket よりも深い回路の短縮が可能となり、論理回路におけるコストベースの探索と置換により顕著な最適化を達成する。

ABSTRACT

Existing quantum compilers focus on mapping a logical quantum circuit to a quantum device and its native quantum gates. Only simple circuit identities are used to optimize the quantum circuit during the compilation process. This approach misses more complex circuit identities, which could be used to optimize the quantum circuit further. We propose Quanto, the first quantum optimizer that automatically generates circuit identities. Quanto takes as input a gate set and generates provably correct circuit identities for the gate set. Quanto's automatic generation of circuit identities includes single-qubit and two-qubit gates, which leads to a new database of circuit identities, some of which are novel to the best of our knowledge. In addition to the generation of new circuit identities, Quanto's optimizer applies such circuit identities to quantum circuits and finds optimized quantum circuits that have not been discovered by other quantum compilers, including IBM Qiskit and Cambridge Quantum Computing Tket. Quanto's database of circuit identities could be applied to improve existing quantum compilers and Quanto can be used to generate identity databases for new gate sets.

研究の動機と目的

• 既存の量子コンパイラがハードコードされた単純な最適化ルールに依存するという制限に対処すること。
• 任意のゲートセットに対して、複雑で証明可能に正しい回路恒等式を自動的に発見できること。
• コンパイル中に新たに生成された恒等式を適用することで、量子回路の深さとノイズを低減すること。
• 既存および将来の量子コンパイラの改善に役立てる、再利用可能な回路恒等式データベースの構築

提案手法

• 与えられたゲートセットに対して、固定された深さとキュービット数までのすべての可能な量子回路を記号的列挙する。
• 浮動小数点精度内での行列同値性チェックを用いて、同等の回路を特定し、恒等式を抽出する。
• 最も効果的な恒等式を特定・適用するためのコストベースの探索アルゴリズムを構築する。
• QASM 入力によるモジュラー統合をサポートし、最適化済み回路を QASM または Qiskit 形式で出力する。
• タイル単位で置換を適用し、ゲートの一貫性と接続性を維持する変換を実施する。
• 2段階パイプラインを採用：オフラインでの恒等式生成と、恒等式データベースを用いたオンライン回路最適化

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自動的恒等式生成は、ルールベースのコンパイラよりも深い量子回路の最適化を達成できるか？
• RQ2 新しい非自明な回路恒等式の発見が、回路深さの低減に与える影響は何か？
• RQ3 コストベースの探索戦略は、手作業で設計されたルールシーケンスと比較して、最適化効果にどの程度差を生じるか？
• RQ4 生成された恒等式データベースは、異なるコンパイラやゲートセット間で再利用可能か？
• RQ5 自動的恒等式生成は、Qiskit や Tket よりも深さ低減においてどの程度優れているか？

主な発見

• Quanto は、以前に知られていなかった新しい恒等式を含む、証明可能に正しい回路恒等式のデータベースを自動生成した。
• この最適化ツールは、Qiskit や Tket が達成可能な範囲を超えて回路深さを短縮し、優れた最適化能力を示した。
• 既存のルールベース最適化器が捉えきれない複雑な恒等式を、システムは正常に特定・適用した。
• 最も効果的な恒等式置換を選択するコストベースの探索により、最適化が達成された。
• 本アプローチは一般化可能であり、カスタムまたは新興のゲートセットに対しても、恒等式データベースの生成が可能である。
• 実装は QASM や Qiskit といった標準フォーマットをサポートしており、既存の量子ソフトウェアスタックとの互換性が保証されている。