[논문 리뷰] An Efficient Methodology for Mapping Quantum Circuits to the IBM QX Architectures

Alwin Zulehner, Alexandru Paler외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 13.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 깊이 기반 분할, 미리 보기 최적화, 동적 큐비트 매핑 초기화를 활용하여 IBM QX 아키텍처에 양자 회로를 매핑하기 위한 효율적인 A*-기반 방법론을 제안한다. 이는 IBM의 네이티브 QISKit 매핑보다 평균 27.5% 적은 게이트 수를 기록하고, 60개의 케이스 중 10개에서 IBM의 타임아웃이 발생하는 것과는 달리 몇 초 내에 매핑을 완료한다.

ABSTRACT

In the past years, quantum computers more and more have evolved from an academic idea to an upcoming reality. IBM's project IBM Q can be seen as evidence of this progress. Launched in March 2017 with the goal to provide access to quantum computers for a broad audience, this allowed users to conduct quantum experiments on a 5-qubit and, since June 2017, also on a 16-qubit quantum computer (called IBM QX2 and IBM QX3, respectively). Revised versions of these 5-qubit and 16-qubit quantum computers (named IBM QX4 and IBM QX5, respectively) are available since September 2017. In order to use these, the desired quantum functionality (e.g. provided in terms of a quantum circuit) has to be properly mapped so that the underlying physical constraints are satisfied - a complex task. This demands solutions to automatically and efficiently conduct this mapping process. In this paper, we propose a methodology which addresses this problem, i.e. maps the given quantum functionality to a realization which satisfies all constraints given by the architecture and, at the same time, keeps the overhead in terms of additionally required quantum gates minimal. The proposed methodology is generic, can easily be configured for similar future architectures, and is fully integrated into IBM's SDK. Experimental evaluations show that the proposed approach clearly outperforms IBM's own mapping solution. In fact, for many quantum circuits, the proposed approach determines a mapping to the IBM architecture within minutes, while IBM's solution suffers from long runtimes and runs into a timeout of 1 hour in several cases. As an additional benefit, the proposed approach yields mapped circuits with smaller costs (i.e. fewer additional gates are required). All implementations of the proposed methodology is publicly available at http://iic.jku.at/eda/research/ibm_qx_mapping.

연구 동기 및 목표

• 제한된 CNOT 게이트 연결성과 같은 물리적 제약 조건 하에서 IBM QX 아키텍처에 양자 회로를 매핑하는 데 도전하는 것.
• 매핑 과정에서 추가 게이트(예: SWAP)로 인해 발생하는 오버헤드를 줄여 회로의 정밀도와 실행 시간을 향상시키는 것.
• 기존 도구들(예: IBM의 QISKit)보다 속도와 회로 품질 측면에서 뛰어난 확장성 있고 일반화된 효율적인 매핑 솔루션을 개발하는 것.
• 실제 성능 평가와 광범위한 도입을 위해 제안된 방법론을 IBM의 QISKit SDK에 통합하는 것.

제안 방법

• 검색 공간을 줄이기 위해 양자 회로를 관리 가능한 세그먼트로 깊이 기반 분할하는 방법을 사용한다.
• 추가 게이트 수를 최소화하면서 유효한 큐비트 매핑을 효율적으로 탐색하기 위해 맞춤형 휴리스틱을 사용한 A* 탐색 알고리즘을 적용한다.
• 미리 보기 기법을 통해 향후 제약 조건을 예측하고, 초기 단계부터 더 유망한 매핑으로 향하는 탐색을 이끈다.
• 초기 큐비트 매핑을 고정하지 않고 탐색 과정 중에 동적으로 결정함으로써 해의 품질과 적응성을 향상시킨다.
• IBM의 QISKit SDK와 원활하게 통합되어 IBM의 네이티브 매핑 및 후처리 최적화와의 일관된 비교가 가능하다.
• 이 프레임워크는 향후 유사한 연결성 제약 조건을 가진 IBM QX 유사 아키텍처에 쉽게 적용 가능하다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 체계적이고 검색 기반의 접근 방식이 IBM QX 아키텍처에서 게이트 수와 실행 시간 측면에서 무작위 또는 휴리스틱 기반 매핑을 능가할 수 있는가?
• RQ2 동적 큐비트 매핑 초기화 방식이 양자 회로 매핑의 품질과 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 깊이 기반 분할과 미리 보기 기법을 통해 검색 공간을 얼마나 줄일 수 있고, 매핑의 확장성은 어떻게 향상되는가?
• RQ4 제안된 방법론은 QISKit과 같은 기존 양자 소프트웨어 스택에 효과적으로 통합될 수 있는가? 이는 호환성과 성능 유지 여부를 포함한다.

주요 결과

• 제안된 방법론은 60개의 벤치마크 회로를 모두 IBM QX5에 몇 초 내에 매핑했고, 반면 IBM의 QISKit 솔루션은 10개의 케이스에서 한 시간이 지난 후에도 타임아웃이 발생했다.
• 평균적으로 제안된 방법은 IBM의 평균 결과 대비 27.5% 감소한 게이트 수를 기록했고, IBM의 최고 결과(최소값) 대비 24.0% 감소했다.
• 회로 깊이 측면에서 평균적으로 IBM의 평균 결과 대비 22.0% 감소했고, IBM의 최고 결과 대비 18.3% 감소했다.
• 실행 시간 측면에서 뚜렷한 성능 향상을 보였으며, 런타임은 항상 1분 이내였고, 반면 IBM의 솔루션은 자주 1시간 타임아웃을 초과했다.
• QISKit에의 통합을 통해 공정한 비교가 가능했고, 성능 향상 요인이 후처리 최적화가 아닌 매핑 로직 자체에서 비롯된 것임을 확인했다.
• 이 방법론은 향후 유사한 연결성 제약 조건을 가진 IBM QX 유사 아키텍처에 대해 일반화되고 재사용 가능한 것으로 입증되었다.