[論文レビュー] SlackQ : Approaching the Qubit Mapping Problem with A Slack-aware Swap Insertion Scheme

Chi Zhang, Yanhao Chen+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2020

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 17被引用数 6

ひとこと要約

SlackQは、NISQ時代の量子コンピュータにおけるキュービットマッピングのためのスラックに配慮したスワップ挿入方式を提案する。実行時間の最適化のために、スラック（空き時間）を活用してSWAPゲートの遅延を隠すことで、回路実行時間を短縮する。RevLib、Qiskit、ScaffCCから得た106のベンチマークにおいて、最先端のマッパーと比較して最大2.36倍の高速化と平均1.62倍の向上を達成した。

ABSTRACT

The rapid progress of physical implementation of quantum computers paved the way for the design of tools to help users write quantum programs for any given quantum device. The physical constraints inherent in current NISQ architectures prevent most quantum algorithms from being directly executed on quantum devices. To enable two-qubit gates in the algorithm, existing works focus on inserting SWAP gates to dynamically remap logical qubits to physical qubits. However, their schemes lack consideration of the execution time of generated quantum circuits. In this work, we propose a slack-aware SWAP insertion scheme for the qubit mapping problem in the NISQ era. Our experiments show performance improvement by up to 2.36X at maximum, by 1.62X on average, over 106 representative benchmarks from RevLib, IBM Qiskit , and ScaffCC.

研究の動機と目的

• 既存のキュービットマッパーがゲート数を最小化するが、回路実行時間を無視するという制限に対処する。
• 実行時間の短縮により、回路の深さを低減することで、量子回路の性能を向上させ、保証される保証精度と量子ボリュームに直接影響を与える。
• 動的にスラック間隔を特定・活用することで、任意の量子アーキテクチャにおける効率的なキュービットマッピングを可能にする。
• 実行時間に配慮したキュービットマッパーを開発し、最小限の実行時間でハードウェア準拠の回路を生成する。

提案手法

• アクティブなゲートがスケジュールされていないスラック間隔（空き時間）を検出し、隠れたSWAPゲート実行のための窓を生成する。
• スラック期間中にSWAP操作を挿入することで、総ゲート数を増加させずに全体の回路深さを低減する。
• スラックが利用可能な領域に優先的にSWAP挿入を行う動的リマッピング戦略を採用し、時間的オーバーヘッドを最小限に抑える。
• ゲート遅延を単一キュービットゲートで1サイクル、CNOTゲートで2サイクルとしてモデル化し、現実的な実行時間を反映する。
• C++で実装し、評価のためのターゲットハードウェアとしてIBMの20キュービットQ20 Tokyoアーキテクチャを採用する。
• 回路の正しさを保ちながら実行時間を最小限に抑える最適な論理的-物理的キュービットマッピングを自動的に探索する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子回路内のスラックを特定・活用することで、マッピング済み回路の実行時間を短縮できるか？
• RQ2 ゲート数最適化マッパーと比較して、スラックに配慮したSWAP挿入方式は、回路深さおよび実行時間においてどのように異なるか？
• RQ3 スラックに配慮したマッピングのパフォーマンス向上は、回路サイズおよび複雑さの増大に伴いスケーリングするか？
• RQ4 時間に配慮したキュービットマッピングにより、回路深さの低減によって量子ボリュームと保証精度が向上するか？

主な発見

• SlackQは、106の代表的ベンチマークにおいて、最先端のマッパーと比較して最大2.36倍、平均1.62倍の高速化を達成した。
• 中規模および大規模のベンチマーク（1,000ゲート以上）では、平均でそれぞれ1.70倍および1.86倍の高速化を達成しており、スケーラビリティが優れていることが示された。
• 性能向上は特に大きな回路で顕著であり、スラックの活用がより効果的であることが確認された。
• すべてのベンチマークカテゴリにおいて、ZulehnerおよびSabreマッパーを上回る性能を発揮し、特に小規模回路ではZulehnerマッパーに対する相対的利点が顕著であった。
• このアプローチにより、SWAPゲートの遅延をアイドル期間に隠すことで回路深さが著しく低減され、保証精度および量子ボリュームの潜在的向上に直接寄与した。
• 実行時間の最適化（ゲート数の最適化を超えて）が、実用的なNISQ時代の量子コンパイルにおいて極めて重要であることが結果から確認された。