[論文レビュー] The Fraunhofer Quantum Computing Portal - www.qc.fraunhofer.de - A web-based Simulator of Quantum Computing Processes

Helge Rosé, Torsten Aßelmeyer-Maluga+3 more|ArXiv.org|Jun 14, 2004

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 1被引用数 8

ひとこと要約

Fraunhofer量子コンピューティングポータルは、Myrinet接続を備えた高メモリLinuxクラスタを活用したウェブベースで共同作業可能な量子シミュレータを提供しており、31量子ビットまでの量子回路の正確なシミュレーションおよび31量子ビットまでのハミルトニアンの近似シミュレーション（Trotter式を用いて）を可能にしている。モジュラーで拡張性のあるアーキテクチャを採用し、QMLベースの回路表現により、標準ゲート、量子フーリエ変換、エラーモデリングのシミュレーションが可能であり、研究コミュニティ全体で量子アルゴリズムと結果を共有・議論できる共同作業環境を統合している。

ABSTRACT

Fraunhofer FIRST develops a computing service and collaborative workspace providing a convenient tool for simulation and investigation of quantum algorithms. To broaden the twenty qubit limit of workstation-based simulations to the next qubit decade we provide a dedicated high memorized Linux cluster with fast Myrinet interconnection network together with a adapted parallel simulator engine. This simulation service supplemented by a collaborative workspace is usable everywhere via web interface and integrates both hardware and software as collaboration and investigation platform for the quantum community. The beta test version realizes all common one, two and three qubit gates, arbitrary one and two bit gates, orthogonal measurements as well as special gates like Oracle, Modulo function, Quantum Fourier Transformation and arbitrary Spin-Hamiltonians up to 31 qubits. For a restricted gate set it feasible to investigate circuits with up to sixty qubits. URL: http://www.qc.fraunhofer.de

研究の動機と目的

• 標準ワークステーションの量子シミュレーションの限界を克服し、専用の高メモリクラスタを用いて大規模な量子系のスケーラブルなシミュレーションを実現すること。
• ローカルの高性能ハードウェアを必要としない、普遍的にアクセス可能なウェブベースのプラットフォームを提供し、量子アルゴリズムのシミュレーションを可能にすること。
• 理想と実際の量子デバイスの差異を研究するため、デ coherent とエラーの制御されたモデリングを可能にすること。
• シミュレーション、文書、結果の共有を可能にする統合型コンテンツ管理システムを通じて、量子コンピューティング研究における協働を促進すること。
• 標準化されたQMLインタフェースを介した外部シミュレータの統合を支援することで、コミュニティ主導で拡張可能なインfra構造を構築し、量子アルゴリズム開発を促進すること。

提案手法

• 標準ワークステーションの20量子ビット制限を超えるメモリ集約型の量子シミュレーションを処理できる、56 GB RAMのLinuxクラスタに高速Myrinet接続を導入すること。
• クラスタ上で実行され、ブラウザベースのアプリレットからアクセス可能な並列処理が可能なウェブアクセス可能なシミュレータエンジンを実装し、ローカルハードウェア要件を抽象化すること。
• 31量子ビットまでのハミルトニアンシミュレーションには正確な対角化を、より大きなハミルトニアンにはTrotter式による近似を用いること。
• 1量子ビット、2量子ビット、3量子ビットゲート、オракル、モジュラ演算、量子フーリエ変換を含むさまざまなゲートセットをサポートするモジュラーなシミュレータエンジンを開発すること。
• 量子回路の定義と交換を可能にするQML（量子マークアップ言語）フォーマットを統合し、再利用可能で階層的な回路設計を可能にすること。
• Plone/Zopeコンテンツ管理システムを用いた共同作業環境を構築し、文書共有、議論、バージョン管理、シミュレーション結果の公開を支援すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準ワークステーションの20量子ビット制限を超えて、使いやすさとアクセス可能性を維持したまま、量子回路シミュレーションをどのようにスケーリングできるか？
• RQ2 ウェブベースの量子シミュレータが、ハイパフォーマンスなシミュレーションと共同研究を両立させるために、どのようなアーキテクチャ的・ソフトウェア設計原則を採用すべきか？
• RQ3 量子シミュレータは、非理想効果（デ coherent とノイズ）を効果的にモデル化することで、理論的および実験的量子コンピューティングのギャップを埋められるか？
• RQ4 標準化され拡張性のあるデータフォーマット（例：QML）は、コミュニティ主導の量子アルゴリズム開発と共有を促進するために、どのような役割を果たせるか？
• RQ5 多様なシミュレーションエンジンを統合し、研究グループ間の協働を促進するため、中央集権的でハイパフォーマンスなシミュレーションサービスをどのように設計できるか？

主な発見

• ポータルは、31量子ビットまでの量子回路とハミルトニアンを正確にシミュレート可能であり、31量子ビットまでのハミルトニアンは正確な対角化、より大きなハミルトニアンはTrotter式による近似で処理可能である。
• テンソル和の実装により、制限付きゲートセットでは最大60量子ビットの回路シミュレーションが可能となり、従来の31量子ビット制限を超える古典的シミュレーションの範囲が拡張された。
• 9量子ビットのショアのアルゴリズムを6量子ビットのxレジスタと3量子ビットのyレジスタで完全にエミュレートし、状態の変化、位相の変化、エントロピーの増加を可視化した。
• 31量子ビットのショアのアルゴリズムのシミュレーションは、小さなバージョンと同様の定性的な挙動を示し、最初のステップでエントロピーが増加し、量子フーリエ変換の間には減少し、最終的に1つの主要な状態に収束した。
• Plone/Zopeに基づく共同作業環境の統合により、QMLを標準フォーマットとして使用し、量子回路、結果、文書のセキュアでバージョン管理可能な共有が可能になった。
• モジュラーで拡張性のある設計により、QMLパーサーを介した外部シミュレータの統合が可能となり、複数の研究グループが貢献し、ポータルの能力を拡張できるフェデレーテッドモデルを実現した。