[논문 리뷰] A Depth-Aware Swap Insertion Scheme for the Qubit Mapping Problem

Chi Zhang, Yanhao Chen외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 17.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 16인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 NISQ 시대 양자 컴퓨터에서 큐비트 매핑을 위한 깊이 인식 스왑 삽입 기법을 제안하며, 회로 깊이를 최적화하면서도 게이트 수 과부하를 최소화한다. SWAP 게이트 삽입 시 깊이 감소를 우선시함으로써, 최신 기술인 Sabre와 Zulehner에 비해 회로 깊이를 최대 30% 감소시키며, 게이트 수는 평균 3% 증가에 그친다.

ABSTRACT

The rapid progress of physical implementation of quantum computers paved the way of realising the design of tools to help users write quantum programs for any given quantum devices. The physical constraints inherent to the 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 the consideration of the depth of generated quantum circuits. In this work, we propose a depth-aware SWAP insertion scheme for qubit mapping problem in the NISQ era.

연구 동기 및 목표

• 높은 깊이의 회로가 동작 시간을 초과해 기능을 잃는 NISQ 시대 양자 계산에서 회로 깊이 문제를 해결한다.
• 기존 큐비트 매핑 기법이 게이트 수 감소에만 초점을 맞추며 회로 깊이를 忽시해 실행 불가능한 프로그램을 유도하는 한계를 극복한다.
• 변환된 양자 회로의 깊이를 명시적으로 최소화하면서도 낮은 게이트 수 과부하를 유지하는 새로운 스왑 삽입 기법을 개발한다.
• 게이트 수와 회로 깊이 사이의 균형 잡힌 트레이드오프를 달성하여 현재의 노이지 양자 하드웨어에서 실용적으로 실행 가능한 프로그램을 확보한다.

제안 방법

• 회로의 핵심 경로 길이에 대한 영향을 기반으로 잠재적 SWAP 게이트 삽입을 평가하는 깊이 인식 히우리스틱을 설계한다.
• 큐비트 매핑 탐색 과정에 깊이 추정을 통합하여 종속 게이트의 가장 긴 경로를 줄이는 매핑을 우선시한다.
• 깊이와 게이트 수를 조합한 비용 함수를 사용해 매핑 결정을 유도하며, 과도한 게이트 증가 없이 깊이 감소를 우선순위로 한다.
• IBM Q20 Tokyo 아키텍처에 이 기법을 구현하고, Qiskit을 사용해 변환된 회로의 깊이와 게이트 수를 평가한다.
• RevLib, IBM Qiskit, ScaffCC의 벤치마크 세트를 사용해 최신 기술인 Sabre와 Zulehner와의 비교를 수행한다.
• 깊이-델타(깊이 증가), 게이트 수, 기준 대비 향상 비율을 측정하는 체계적 평가 프레임워크를 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 회로 깊이를 명시적으로 최적화하는 큐비트 매핑 기법이 게이트 수 최적화에 집중하는 기존 기법들보다 깊이 감소 측면에서 뛰어난 성능을 보일 수 있는가?
• RQ2 Sabre와 Zulehner와 같은 최신 기술 기반 기준 대비 깊이 인식 스왑 삽입이 얼마나 회로 깊이를 감소시키는가?
• RQ3 제안된 기법에서 깊이 감소와 게이트 수 증가 사이의 트레이드오프는 어떠한가?
• RQ4 깊이 최소화가 제한된 동작 시간을 가진 NISQ 장치에서 성공적인 실행 가능성을 측정 가능한 수준으로 향상시키는가?

주요 결과

• 제안된 기법은 최고 성능 기준(예: Sabre) 대비 최대 30% 깊이 감소를 달성했으며, 깊이-델타 감소 비율은 20%에서 300% 이상까지 다양하다.
• 23개 벤치마크 중 5개에서는 기준 기준 기준이 이미 효과적인 경우에도 깊이 향상이 20% 미만이었으며, 이는 기준이 강력할지라도 뛰어난 안정성을 보임을 시사한다.
• 게이트 수는 평균 3% 증가에 그쳐, 깊이 우선 전략임에도 불구하고 과부하가 최소한임을 입증한다.
• 23개 벤치마크 중 17%인 4개에서 제안된 매핑 기법이 평가된 세 기법 중 최저 게이트 수를 기록했다.
• 벤치마크의 57%에서 게이트 수 측면에서 상위 두 개 이내로 순위를 확보하여 다양한 회로 유형에서 일관된 성능을 보였다.
• Sabre 매핑 기법은 10 큐비트 QFT 벤치마크에서 게이트 수를 1.1% 감소시켰지만, 깊이를 44.5% 증가시켜 게이트 수 전용 최적화의 높은 비용을 보여준다.