[論文レビュー] SurfBraid: A concept tool for preparing and resource estimating quantum circuits protected by the surface code

Alexandru Paler|arXiv (Cornell University)|Feb 6, 2019

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 31被引用数 8

ひとこと要約

SurfBraid は、任意の量子回路をサーフェスコード保護付き Clifford+T 回路にコンパイルし、ねじれ構造を用いた自動最適化レイアウトを実行し、正確なリソース推定を実行する、新しいインタラクティブで拡張可能なウェブベースのツールです。物理的キュービット数およびゲート数の要件に対するリアルタイムフィードバックを提供し、スケーラブルなフォールトトレラント量子回路設計自動化への重要な一歩を示しています。

ABSTRACT

The first generations of quantum computers will execute fault-tolerant quantum circuits, and it is very likely that such circuits will use surface quantum error correcting codes. To the best of our knowledge, no complete design automation tool for such circuits is currently available. This is to a large extent because such circuits have three dimensional layouts (e.g. two dimensional hardware and time axis as a third dimension) and their optimisation is still ongoing research. This work introduces SurfBraid, a tool for the automatic design of surface code protected quantum circuits -- it includes a complete workflow that compiles an arbitrary quantum circuit into an intermediary Clifford+T equivalent representation which is further synthesised and optimised to surface code protected structures (for the moment, braided defects). SurfBraid is arguably the first flexible (modular structure, extensible through user provided scripts) and interactive (automatically updating the results based on user interaction, browser based) tool for such circuits. One of the prototype's methodological novelty is its capability to automatically estimate the resources necessary for executing large fault-tolerant circuits. A prototype implementation and the corresponding source code are available at https://alexandrupaler.github.io/quantjs/.

研究の動機と目的

• サーフェスコード保護付き量子回路の包括的でインタラクティブな設計自動化ツールの不足に対処すること。
• 任意の量子回路を、サーフェスコード実装に適した Clifford+T 形式に自動的にコンパイルできること。
• ねじれ欠陥レイアウトを用いて、大規模なフォールトトレラント量子回路の正確でリアルタイムのリソース推定を提供すること。
• ユーザーが提供するスクリプトと柔軟なソフトウェアアーキテクチャを通じて、拡張性とモularity をサポートすること。
• 将来のラティスソーイングおよびハードウェアに配慮したマッピング技術の統合の基盤を築くこと。

提案手法

• 既存のコンパイル手法を用いて、入力された量子回路を中間的な Clifford+T 形式に変換する。
• 先読みパラメータを用いたゲートスケジューリングにより、量子ゲートに正確な時間座標を割り当てる。
• T ゲートの分布と T 状態の可用性を自動的に推定し、精製スケジューリングを支援する。
• 先行研究に基づく簡略化されたスケジューラを用いて、精製サブ回路（ボックス）を 3D レイアウト（空間と時間）に配置する。
• ハイパフォーマンス計算とインタラクティブな更新を実現するため、ブラウザベースの Emscripten コンパイル済み C++ エンジンを採用する。
• リアルタイムで回路レイアウト、リソース使用状況、分析図のインタラクティブな可視化をサポートする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 任意の量子回路を、最小限のリソースオーバーヘッドでサーフェスコード保護付き Clifford+T 回路に自動的にコンパイルする方法は何か？
• RQ2 3D サーフェスコードレイアウトにおいて、精製手順をスケジューリングする最も効果的な方法は何か？ これにより、無駄な待機時間とリソース使用量を最小限に抑えることができるか？
• RQ3 大規模なフォールトトレラント量子回路に対して、リアルタイムでインタラクティブなリソース推定を達成できるか？
• RQ4 ラティスソーイングのような進化するサーフェスコード設計パターンに対応できる、モジュラーで拡張可能なツールはどのようにアーキテクチャ化できるか？
• RQ5 ヒューリスティックスケジューリングとハイパフォーマンスデータ構造は、量子回路コンパイルのスケーラビリティをどの程度向上させられるか？

主な発見

• SurfBraid は、自動レイアウトと最適化を伴い、任意の量子回路をサーフェスコード保護付き Clifford+T 回路に成功してコンパイルする。
• ユーザーの入力に応じて、物理的キュービット数およびゲート数を含むリソース推定のリアルタイムでインタラクティブな更新を提供する。
• T ゲートの分布と T 状態の可用性の自動分析を可能にし、効率的な精製スケジューリングを支援する。
• 一度に一つの精製のみが有効になるハードウェア制限付きスケジューリングモデルを実装しており、リソース制約下での正しさを保証する。
• 拡張可能でモジュラーな構造を備えており、将来のバージョンでラティスソーイングおよびハードウェアに配慮したマッピングをサポートする予定である。
• ソースコードを含むオンラインでの実装が可能であり、コアスケジューリング論理は実証済みの先行研究に基づいているため、信頼性とパフォーマンスが保証されている。