[論文レビュー] VeriQBench: A Benchmark for Multiple Types of Quantum Circuits

Kean Chen, Wang Fang+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2022

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 8

ひとこと要約

VeriQBench は、組み合わせ回路、動的回路、順序回路、変動回路の4種類の多様な量子回路をカバーするオープンソースのベンチマークであり、OpenQASM で実装され、Qiskit および QCOR で検証済みです。2〜50量子ビット以上のスケーラブルな回路サイズをカバーし、検証、シミュレーション、テスト、デバッグを可能にし、拡張可能な生成スクリプトと複数の量子プログラミング形式への対応を備えています。

ABSTRACT

In this paper, we introduce VeriQBench -- an open source benchmark for quantum circuits. It offers high-level quantum circuit abstractions of various circuit types, including 1) combinational, 2) dynamic, 3) sequential, and 4) variational quantum circuits, which cover almost all existing types of quantum circuits in the literature. Meanwhile, VeriQBench is a versatile benchmark which can be used in verifying quantum software for different applications, as is evidenced by the existing works including quantum circuit verification (e.g., equivalence checking [Hon+21a; WLY21] and model checking [Yin21]), simulation (e.g., fault simulation), testing (e.g., test pattern generation [CY22]) and debugging (e.g., runtime assertions [Li+20b]). All the circuits are described in OpenQASM and are validated on Qiskit and QCOR simulators. With the hope that it can be used by other researchers, VeriQBench is released at: https://github.com/Veri-Q/Benchmark.

研究の動機と目的

• 現在の研究で使用される主な量子回路タイプを網羅する包括的で拡張可能かつ標準化されたベンチマークの不足を解消すること。
• 同等性の検査、モデル検査、故障シミュレーション、テストパターン生成、実行時デバッグを含む、多様な量子ソフトウェア検証タスクを支援すること。
• 自動生成スクリプトを用いて任意の量子ビット数をサポートする、スケーラブルで進化可能な量子回路ベンチマークフレームワークを提供すること。
• すべての回路を OpenQASM で表現し、q-convert を通じて Q#、PyQuil、Cirq などの他の形式に変換可能にすることで、広範な利用可能性を確保すること。
• Qiskit および QCOR といった複数の量子シミュレーションプラットフォーム上で、ベンチマークの正しさと相互運用性を検証すること。

提案手法

• 組み合わせ回路（例：QFT、Grover、Bernstein-Vazirani）、動的回路（例：トランスポート、セミ古典的QFT）、順序回路、変動回路の4つの主なタイプの量子回路の設計と収集。
• 標準化とツール互換性を確保するため、すべての回路を OpenQASM 2.0 形式でエンコードし、q-convert ツールを介して他の量子言語への変換をサポート。
• 主な回路タイプの多くに対して自動生成スクリプトを実装し、任意の量子ビット数を持つ回路のスケーラブルな合成を可能に。
• すべての回路を Qiskit および QCOR という2つの主要な量子ソフトウェアスタックで検証し、正しさと相互運用性を確認。
• 体系的な評価のため、小規模（20量子ビット未満）、中規模（20〜50量子ビット）、大規模（50量子ビット以上）の3つのスケールクラスに回路を分類。
• 検証、最適化、テスト分野の既存研究から回路を統合し、実用的関連性と多様性を確保。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在の量子コンputィング研究で使用される主な量子回路タイプを網羅する統合されたベンチマークをどのように設計できるか？
• RQ2 同等性の検査、モデル検査、テストパターン生成といった多様な検証・検証タスクを、ベンチマークがどの程度サポートできるか？
• RQ3 自動回路生成を用いて、進化する量子ハードウェアの能力に応じてスケーラブルかつ拡張可能にできるか？
• RQ4 Qiskit や QCOR といった異なる量子ソフトウェアスタック間で、正しさとポータビリティを確保する観点から、ベンチマークはどの程度有効か？
• RQ5 基本的アルゴリズムから変動回路に至るまで多様な回路タイプを含めることで、量子ツール開発におけるベンチマークの有用性にどのような影響を与えるか？

主な発見

• VeriQBench には、組み合わせ回路、動的回路、順序回路、変動回路の4つの主要タイプの100以上もの回路が含まれており、文献に記載されたすべての標準カテゴリをカバーしています。
• すべての回路が OpenQASM 2.0 で実装されており、Qiskit および QCOR で検証済みであり、プラットフォーム間での正しさと相互運用性が確認されています。
• スクリプトを用いたスケーラブルな回路生成をサポートしており、50量子ビットを超える回路の合成が可能で、小規模、中規模、大規模な構成をカバーしています。
• 同等性の検査、モデル検査、故障シミュレーション、テストパターン生成といった複数の検証ワークフローへの直接適用が可能であり、既存ツールへの統合事例によって実証されています。
• 量子トランスポートやセミ古典的QFTといった動的回路の組み込みにより、古典的制御量子操作をサポートしており、NISQ時代のアルゴリズムにおいて重要な特徴を有しています。
• ベンチマークは https://github.com/Veri-Q/Benchmark で公開されており、q-convert を通じたフォーマット相互運用性を備えた完全なツールキットを提供しており、広範な採用可能性が向上しています。