[論文レビュー] Scheduler of quantum circuits based on dynamical pattern improvement and its application to hardware design

Gian Giacomo Guerreschi|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2019

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 24被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、動的パターン改善に基づく新しい量子回路スケジューラを提案し、個々のゲートルーティングではなく、グローバルなキュービット配置パターンを評価することでルーティングを最適化する。SWAP操作を、2キュービットゲートの接続性を最も向上させる順に優先することで、QAOA回路において最大56%の回路深度およびルーティング操作を削減し、ハードウェア設計を支援する。また、トランスモンアーキテクチャにおいて3つ以上の異なるキュービット周波数を用いることは、性能向上に限界があることを示している。

ABSTRACT

As quantum hardware increases in complexity, successful algorithmic execution relies more heavily on awareness of existing device constraints. In this work we focus on the problem of routing quantum information across the machine to overcome the limited connectivity of quantum hardware. Previous approaches address the problem for each two-qubit gate separately and then impose the compatibility of the different routes. Here we shift the focus onto the set of all routing operations that are possible at any given time and favor those that most benefit the global pattern of two-qubit gates. We benchmark our optimization technique by scheduling variational algorithms for transmon chips. Finally we apply our scheduler to the design problem of quantifying the impact of manufacturing decisions. Specifically, we address the number of distinct qubit frequencies in superconducting architectures and how they affect the algorithmic performance of the quantum Fourier transform.

研究の動機と目的

• 近い将来の量子ハードウェアにおける限られたキュービット接続性の課題に、個々のゲート最適化を超えたスケジューリング改善によって対処すること。
• ルーティングオーバーヘッドと回路深度を最小限に抑えるために、グローバルなキュービット配置パターンを考慮するスケジューラを開発すること。
• 特に、異なるキュービット周波数の数といったハードウェア設計選択がアルゴリズム的性能に与える影響を評価すること。
• ランタイムコンパイルと初期段階のハードウェアアーキテクチャ設計の両方において、スケジューラの有効性を示すこと。

提案手法

• 各ステップで、2キュービットゲートのグローバルパターンに与える影響に基づいて、すべての可能な局所的ルーティング操作（SWAPゲート）を評価する。
• 前方予測やバックトラッキングを一切行わない動的パターン改善ポリシーを用い、将来のルーティング効率を最大化するSWAPを選択する。
• 論理的依存関係や排他的なキュービット活性化といった機械に依存しない制約と、接続性や制御エレクトロニクスの制限といった機械に依存する制約を統合する。
• 初期キュービット配置を改善するために最大共通エッジ部分グラフ問題のヒューリスティックソルバーを採用し、初期のルーティングコストを低減する。
• ゲートが可換である場合にゲートの順序を再配置できるようにし、ルーティング操作を顕著に削減する。
• 線形および2次元トランスモンアーキテクチャ上で、詳細なハードウェアモデリングを伴うQAOAおよびQFT回路のベンチマークに本手法を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 個々のゲートルーティングではなく、グローバルなキュービット配置パターンに注目することで、量子回路スケジューリングをどのように改善できるか？
• RQ2 超伝導アーキテクチャにおける量子フーリエ変換回路の性能に、キュービット周波数の多様性が与える影響は何か？
• RQ3 ゲートの可換性と再順序付けによって、変動型量子アルゴリズムにおけるルーティングオーバーヘッドをどの程度削減できるか？
• RQ4 ランタイムコンパイル用に設計されたスケジューラは、初期段階のハードウェア設計意思決定を支援できるか？
• RQ5 動的パターン改善ポリシーは、従来の個別ゲートルーティング戦略と比較して、回路深度およびルーティング操作の観点でどの程度優れているか？

主な発見

• 動的パターン改善スケジューラは、ゲートの可換性を活用し、知的なSWAP選択を行うことで、QAOA回路においてルーティング操作を最大56%削減した。
• 最大共通エッジ部分グラフ問題のヒューリスティックの使用により、初期キュービット配置が著しく改善され、ランダム配置よりも初期のルーティングコストが低減した。
• 線形トランスモンアレイ上でのQFT回路においては、3つ以上の異なるキュービット周波数を用いても性能向上に限界があることが示され、3つの周波数が複雑さと性能のバランスをとる最適な選択である可能性を示唆している。
• スケジューラが厳密な優先順位を破る（SR3優先順位にかかわらず常に実行するポリシーを採用）ことで、非効率なゲートの往復移動を防ぎ、高キュービット数システムにおける並列性を向上させた。
• スケジューラは、アーキテクチャ的選択（キュービット周波数の多様性、接続性など）のアルゴリズム的影響を定量的に評価できることから、ハードウェア設計を効果的に支援する。
• 前方予測戦略を必要とせず、グローバル状態に基づいた局所的意思決定が強力な最適化結果をもたらすことを示しており、高い並列性と低い回路深度を達成した。