[논문 리뷰] A Case for Variability-Aware Policies for NISQ-Era Quantum Computers

Swamit Tannu, Moinuddin K. Qureshi|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 25.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 26인용 수 49

한 줄 요약

이 논문은 NISQ 기기에서 큐비트 및 링크 오류율의 변화성을 연구하고 약한 큐비트/링크를 피하여 신뢰성을 높이는 variation-aware 큐비트 이동 및 할당 정책을 제안한다.

ABSTRACT

Recently, IBM, Google, and Intel showcased quantum computers ranging from 49 to 72 qubits. While these systems represent a significant milestone in the advancement of quantum computing, existing and near-term quantum computers are not yet large enough to fully support quantum error-correction. Such systems with few tens to few hundreds of qubits are termed as Noisy Intermediate Scale Quantum computers (NISQ), and these systems can provide benefits for a class of quantum algorithms. In this paper, we study the problems of Qubit-Allocation (mapping of program qubits to machine qubits) and Qubit-Movement(routing qubits from one location to another to perform entanglement). We observe that there exists variation in the error rates of different qubits and links, which can have an impact on the decisions for qubit movement and qubit allocation. We analyze characterization data for the IBM-Q20 quantum computer gathered over 52 days to understand and quantify the variation in the error-rates and find that there is indeed significant variability in the error rates of the qubits and the links connecting them. We define reliability metrics for NISQ computers and show that the device variability has the substantial impact on the overall system reliability. To exploit the variability in error rate, we propose Variation-Aware Qubit Movement (VQM) and Variation-Aware Qubit Allocation (VQA), policies that optimize the movement and allocation of qubits to avoid the weaker qubits and links and guide more operations towards the stronger qubits and links. We show that our Variation-Aware policies improve the reliability of the NISQ system up to 2.5x.

연구 동기 및 목표

• NISQ 시대 양자 컴퓨팅에서 큐비트 오차율의 변화성을 고려해야 할 필요성을 제시한다.
• 52일간 수집된 IBM-Q20 데이터를 사용하여 큐비트 및 링크 간의 오차율 변화 특성을 특징화한다.
• NISQ 장치의 신뢰성 지표를 정의하고 변화성이 시스템 신뢰성에 미치는 영향을 정량화한다.
• 신뢰성을 높이기 위한 큐비트 이동에 대한 변화 인식 정책과 큐비트 할당 정책을 제안하고 평가한다.

제안 방법

• 52일간의 IBM-Q20 특성화 데이터를 분석하여 큐비트 및 링크 오차율의 변화를 정량화한다.
• 장치 변화성이 NISQ 시스템에 미치는 영향을 평가하기 위한 신뢰성 지표를 정의한다.
• 연결(Entanglement) 연산 중 약한 큐비트/링크를 피하기 위한 Variation-Aware Qubit Movement (VQM) 정책을 개발한다.
• 프로그램 큐비트를 더 강한 큐비트/링크에 매핑하기 위한 Variation-Aware Qubit Allocation (VQA) 정책을 개발한다.
• 신뢰성 향상을 비교하여 정책을 평가하고 최대 2.5배의 이득을 보고한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제 IBM-Q20 기기에서 시간에 따라 큐비트와 링크 간의 오차율은 얼마나 가변적인가?
• RQ2 이 변화성을 고려한 이동 및 할당 정책이 NISQ의 신뢰성을 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 기본 정책과 비교하여 변화 인식 전략을 적용함으로써 얻을 수 있는 잠재적 신뢰성 이득은 무엇인가?

주요 결과

• 52일에 걸쳐 IBM-Q20에서 큐비트와 링크 간의 오차율에 상당한 변동성이 있다.
• 장치 변화성이 전체 시스템 신뢰성에 상당한 영향을 미친다.
• Variation-aware 큐비트 이동(VQM) 및 Variation-aware 큐비트 할당(VQA)은 신뢰성을 개선하여 최대 2.5배의 향상을 달성한다.