[論文レビュー] Quantum Supremacy Circuit Simulation on Sunway TaihuLight

Riling Li, Bujiao Wu+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2018

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 11被引用数 21

ひとこと要約

本論文は、Sunway TaihuLight スーパーコンputers 上でユニバーサルランダム回路を高速にシミュレートする量子回路シミュレータを提示している。全状態ベクトル計算では49量子ビット回路を深さ39まで、単一振幅抽出では深さ55まで到達した。このシミュレータは動的計画法に基づく分割と最適化されたメモリアクセスを採用し、量子ビット数と回路深さの両面で先行研究を上回る性能を達成した。

ABSTRACT

With the rapid progress made by industry and academia, quantum computers with dozens of qubits or even larger size are being realized. However, the fidelity of existing quantum computers often sharply decreases as the circuit depth increases. Thus, an ideal quantum circuit simulator on classical computers, especially on high-performance computers, is needed for benchmarking and validation. We design a large-scale simulator of universal random quantum circuits, often called 'quantum supremacy circuits', and implement it on Sunway TaihuLight. The simulator can be used to accomplish the following two tasks: 1) Computing a complete output state-vector; 2) Calculating one or a few amplitudes. We target the simulation of 49-qubit circuits. For task 1), we successfully simulate such a circuit of depth 39, and for task 2) we reach the 55-depth level. To the best of our knowledge, both of the simulation results reach the largest depth for 49-qubit quantum supremacy circuits.

研究の動機と目的

• 古典的ハイパフォーマンスコンピューティング環境上で大規模なユニバーサルランダム回路を効率的にシミュレートできるスケーラブルな量子回路シミュレータの開発。
• 高い忠実度で量子優位性回路をシミュレートすることで、近い将来の量子デバイスのベンチマークと検証を実施。
• これまで報告されたものより深い回路深さと大きな量子ビット数を達成することで、古典的シミュレーションの限界を押し広める。
• 全状態ベクトルシミュレーションと標的振幅抽出の両方を可能にし、忠実度の推定と検証を支援。
• Sunway TaihuLight のアーキテクチャに最適化されたメモリ帯域幅認識アルゴリズムと動的負荷分散を用いて、パフォーマンスを最適化。

提案手法

• 大規模な量子回路を分散計算に適した部分回路に分解するため、新規の動的計画法に基づくパーティショニング手法を採用。
• 状態ベクトルの進化（タスク1）と選択的振幅抽出（タスク2）を分離するハイブリッド計算モデルを実装し、リソースの最適利用を実現。
• Sunway TaihuLight のアーキテクチャに適したメモリ帯域幅認識アルゴリズムを用いてメモリアクセスパターンを最適化し、レイテンシを低減しノードレベルのパフォーマンスを向上。
• 主なテストベッドとして7×7量子ビット格子を採用し、部分的振幅抽出のための7×8および8×8への拡張も実施。
• 深さ55の回路に対応する49量子ビット状態ベクトル間の内積計算を実行し、単一振幅を抽出。
• 最大131,072コアグループで強スケーリングを達成し、パフォーマンス解析によりETHの単一ノード実装比で1.84倍の高速化を達成。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 古典的スーパーコンピュータリソースを用いて、49量子ビットユニバーサルランダム回路で到達可能な最大の回路深さは何か？
• RQ2 Sunway TaihuLight のような現代のエクサスケールシステム上で、49量子ビット回路の全状態ベクトルを、これまでの記録を超えてシミュレートできるか？
• RQ3 高性能ハードウェア上で深さのある量子回路に対して、標的振幅抽出をどの程度効率的に行えるか？
• RQ4 Sunway TaihuLight の多数のコアと高帯域幅を持つアーキテクチャでパフォーマンスを最大化するために、どのようなアーキテクチャ的・アルゴリズム的最適化が必要か？
• RQ5 深さのある回路において、シミュレートされた結果の確率分布は、理論的なポーターラス・トムソン分布とどの程度一致するか？

主な発見

• 131,072コアグループを用いて4.2時間で49量子ビット状態ベクトルを深さ39の回路で計算完了し、Sunway TaihuLight総計算能力の80％を活用。
• 単一振幅抽出において、49量子ビット回路で深さ55まで到達し、この量子ビット数で新たに記録を更新。
• 深さ35および39の49量子ビット回路のシミュレート結果の確率分布は、理論的ポーターラス・トムソン分布とよく一致しており、量子的ランダム性が確認された。
• 同等のハードウェア環境下でETHの単一ノード実装比で1.84倍の高速化を達成し、メモリアクセス最適化の有効性が裏付けられた。
• 7×8および8×8のより大きな格子に拡張され、深さ35までの7×8回路で部分的振幅抽出（2^37～2^42個の振幅）が可能になった。
• 深さ39の49量子ビット回路シミュレーションは、以前報告された40深さの上限を超えており、49量子ビットの量子優位性がこの深さで古典的にシミュレート可能であることを証明した。