[論文レビュー] Quantum Compiling

Marco Maronese, Lorenzo Moro+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2021

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、ゲートモデルおよびアディアバティック量子コンピュータにおける量子コンパイルの体系的レビューを提示しており、高レベルの量子アルゴリズムと物理的キュービット制約の間をつなぐ階層的アーキテクチャに焦点を当てる。量子回路合成、エラー補正、トランスパイリング、QUBO/HUBO問題の埋め込みといったコンパイル技術を詳細に説明し、D-Wave Ocean や Cambridge Quantum の pytket といったフレームワークの実践的例を通じて、NISQ時代のデバイスにおけるハードウェアに配慮した最適化とクロスプラットフォーム互換性を示している。

ABSTRACT

Quantum compiling fills the gap between the computing layer of high-level quantum algorithms and the layer of physical qubits with their specific properties and constraints. Quantum compiling is a hybrid between the general-purpose compilers of computers, transforming high-level language to assembly language and hardware synthesis by hardware description language, where functions are automatically synthesized into customized hardware. Here we review the quantum compiling stack of both gate model quantum computers and the adiabatic quantum computers, respectively. The former involves low level qubit control, quantum error correction, synthesis of short quantum circuits, transpiling, while the latter involves the virtualization of qubits by embedding of QUBO and HUBO problems on constrained graphs of physical qubits and both quantum error suppression and correction. Commercial initiatives and quantum compiling products are reviewed, including explicit programming examples.

研究の動機と目的

• ゲートモデルおよびアディアバティック量子コンピューティングアーキテクチャにおける量子コンパイルスタックを体系的にレビューすること。
• 物理的キュービット特性とノイズに制約を受ける中で、高レベルの量子アルゴリズムをマシンレベルの操作に変換する課題に対処すること。
• 量子コンパイラがハードウェア抽象化を可能にし、最適化、エラー補正、埋め込みを通じて性能を向上させる仕組みを分析すること。
• D-Wave Ocean や pytket を含む商用の量子コンパイルツールおよびフレームワークの相互運用性と効率性を評価すること。

提案手法

• 本論文は、ISO/OSIモデルを模した階層的アーキテクチャモデルを採用し、複数の抽象化レベルにわたる量子コンパイルを構造化している。
• ゲートモデル量子コンピュータに関しては、論理ゲートを物理的動作にマッピングするための量子回路合成、トランスパイリング、量子エラー補正技術をレビューしている。
• アディアバティック量子コンピュータに関しては、Chimera や Pegasus といった制限付きの物理的キュービット接続性グラフに論理的 QUBO/HUBO 問題をマッピングする埋め込み技術を検討している。
• 最適な埋め込みを実現するオープンソースのコンパイルツールである minorminer や、複数の量子プログラミング言語とバックエンドをサポートする中間レベルのコンパイラである pytket を評価している。
• D-Wave Ocean や pytket からの実際のコード例を用いて、実世界のコンパイルワークフローとハードウェアに配慮した最適化を示している。
• 商用およびオープンソースの量子コンパイルスタックを比較し、ポータビリティ、エラー低減、NISQ制約下でのパフォーマンスに重点を置いている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子コンパイラは、高レベルの量子アルゴリズムと制限付きの物理的キュービットアーキテクチャの間の意味的・物理的ギャップをどのように埋め合わせるか？
• RQ2 ゲートモデルおよびアディアバティック量子コンピュータにおける量子コンパイルスタックの主な構成要素とレイヤーは何か？
• RQ3 minorminer などの埋め込み技術は、アディアバティック量子コンピューティングにおける物理的制約付きキュービットグラフに論理的問題を効率的にマッピングする仕組みとしてどのように機能するか？
• RQ4 中間レベルのコンパイラである pytket は、多様な量子バックエンドにわたるハードウェアに依存しないコンパイルと最適化をどの程度可能にするか？
• RQ5 NISQ時代において、エラー補正および抑制は量子コンパイルにおいて果たす役割は何か？

主な発見

• 量子コンパイルスタックは、論理的制御、エラー補正、低レベル制御の各レイヤーを備えることで、高レベルの量子アルゴリズムを物理的ハードウェア上で実行可能な操作に変換する上で不可欠である。
• minorminer などの埋め込み技術により、疎な論理的グラフを制限付きの物理的キュービット接続性にマッピング可能であり、Pegasus アーキテクチャは Chimera よりも高い接続性（15接続／キュービット）を提供する。
• pytket は共通の中間表現を用いることで、QASM、Quil、Qiskit、Cirq といった複数の言語から最適化されたバックエンド固有の回路に変換することで、ハードウェアに依存しないコンパイルを実現している。
• t|ket⟩ などの中間レベルコンパイラの使用により、デバイス固有のノイズの影響が著しく低減され、NISQ デバイスにおける実行効率が向上する。
• D-Wave Ocean や pytket といった商用ツールは実用的妥当性を示しており、埋め込み精度の設定可能性和、古典的および量子ソフトウェアの統合をサポートしている。
• 最適な埋め込みと回路コンパイルには、実行時間とパフォーマンスのトレードオフが必要であり、より長い最適化時間はより良いリソース利用をもたらす。